DE102019202787A1

DE102019202787A1 - Method for recognizing the nature of media within a microfluidic device

Info

Publication number: DE102019202787A1
Application number: DE102019202787.3A
Authority: DE
Inventors: Christoph Faigle; Pablo Dilger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-03-01
Filing date: 2019-03-01
Publication date: 2020-09-03

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erkennung der Natur von Medien (101, 102) innerhalb einer mikrofluidischen Vorrichtung (210) vorgeschlagen, bei dem eine optische Detektion unter Verwendung einer Lichtquelle (300) und einer Ausleseeinheit (400) vorgesehen ist. Bei dem Verfahren wird eine Reflexion (310), die aufgrund einer Brechungsindexänderung zwischen wenigstens einem Medium (101, 102) und einer umgebenden Substratfläche (200) der Vorrichtung (210) auftritt, erfasst und ausgewertet, wobei aus der oder den erfassten Reflexionsintensitäten auf die Natur des jeweiligen Mediums oder der jeweiligen Medien (101, 102) geschlossen wird.A method for recognizing the nature of media (101, 102) within a microfluidic device (210) is proposed in which optical detection is provided using a light source (300) and a readout unit (400). In the method, a reflection (310), which occurs due to a change in the refractive index between at least one medium (101, 102) and a surrounding substrate surface (200) of the device (210), is detected and evaluated Nature of the respective medium or the respective media (101, 102) is closed.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung der Natur von Medien innerhalb einer mikrofluidischen Vorrichtung, wobei eine optische Detektion unter Verwendung einer Lichtquelle und einer Ausleseeinheit vorgesehen ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, ein maschinenlesbares Speichermedium und ein elektronisches Steuergerät, die zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens eingerichtet sind.The present invention relates to a method for recognizing the nature of media within a microfluidic device, an optical detection using a light source and a readout unit being provided. The invention further relates to a computer program, a machine-readable storage medium and an electronic control device, which are set up to carry out the proposed method.

Stand der TechnikState of the art

Für verschiedene Anwendungsbereiche kommen mikrofluidische Vorrichtungen wie beispielsweise Mikrofluidik-Chips zum Einsatz. Derartige, in der Regel aus Kunststoff ausgebildete, fluidische Vorrichtungen weisen Kanal- und/oder Kammerstrukturen auf und können beispielsweise für analytische, präparative oder diagnostische Anwendungen, insbesondere in der Medizin eingesetzt werden. Mit Hilfe von mikrofluidischen Vorrichtungen können beispielsweise medizinische Probelösungen mit hoher Sensitivität in miniaturisierter Form analysiert werden, wobei die Vorrichtungen beispielsweise zur Durchführung von biochemischen und/oder molekularbiologischen Reaktionen eingesetzt werden können. So werden beispielsweise sogenannte Lab-on-Chips bereits vielfach in der medizinischen Diagnostik verwendet.Microfluidic devices such as microfluidic chips are used for various areas of application. Such fluidic devices, usually made of plastic, have channel and / or chamber structures and can be used, for example, for analytical, preparative or diagnostic applications, in particular in medicine. With the aid of microfluidic devices, for example, medical sample solutions can be analyzed with high sensitivity in miniaturized form, the devices being able to be used, for example, to carry out biochemical and / or molecular biological reactions. So-called lab-on-chips, for example, are already widely used in medical diagnostics.

Es sind mikrofluidische Vorrichtungen bekannt, die auf einem Zweiphasensystem innerhalb des mikrofluidischen Netzwerks basieren. Bei diesen beiden Phasen kann es sich insbesondere um eine ölige und eine wässrige Flüssigkeit beziehungsweise Phase und/oder auch um eine Gasphase handeln. Im Rahmen einer Ablaufkontrolle während der Prozessierung eines derartigen mikrofluidischen Zweiphasensystems ist es oftmals erforderlich, bei der Befüllung den genauen Füllzustand des Systems zu kennen. Hierbei stellt die Position der Grenzfläche zwischen der wässrigen und der öligen Flüssigkeit innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung eine wichtige Information dar.Microfluidic devices are known which are based on a two-phase system within the microfluidic network. These two phases can in particular be an oily and an aqueous liquid or phase and / or also a gas phase. As part of a process control during the processing of such a microfluidic two-phase system, it is often necessary to know the exact filling state of the system during filling. The position of the interface between the aqueous and the oily liquid within the microfluidic device represents important information.

In mikrofluidischen Kanälen und/oder Kammern bildet sich typischerweise an der Grenzfläche zwischen zwei unterschiedlichen flüssigen Phasen ein Meniskus, also eine Wölbung in der Kontaktoberfläche, aus. Wenn der Meniskus und dessen Position innerhalb der Vorrichtung beziehungsweise innerhalb des Kanalsystems erkannt werden kann, kann daraus auf den Füllstandzustand rückgeschlossen werden, so dass die weiteren Schritte für die Prozessierung innerhalb der Vorrichtung entsprechend durchgeführt werden können. Die Erkennung des Meniskus geschieht oftmals mit optischen Methoden. Es sind jedoch auch andere Lösungen möglich. So beschreibt beispielsweise die US 9,492,822 B2 ein Verfahren, bei dem ein Tropfen wässriger Lösung in Öl durch eine Änderung in der Impedanz eines Elektrodenpaars detektiert wird. Die US 2001/0027918 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem die Flussrate innerhalb eines mikrofluidischen Systems anhand von eingebrachten fluoreszierenden Markern optisch bestimmt wird.In microfluidic channels and / or chambers, a meniscus, that is to say a bulge in the contact surface, is typically formed at the interface between two different liquid phases. If the meniscus and its position within the device or within the channel system can be identified, conclusions can be drawn about the fill level so that the further steps for processing within the device can be carried out accordingly. The meniscus is often recognized using optical methods. However, other solutions are also possible. For example, the US 9,492,822 B2 a method in which a drop of aqueous solution in oil is detected by a change in the impedance of a pair of electrodes. The US 2001/0027918 A1 describes a method in which the flow rate within a microfluidic system is determined optically on the basis of introduced fluorescent markers.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zur Erkennung der Natur von Medien innerhalb einer mikrofluidischen Vorrichtung vor, wobei eine optische Detektion unter Verwendung einer Lichtquelle und einer Ausleseeinheit vorgesehen ist. Kernpunkt der Erfindung ist, dass eine Reflexion, die aufgrund einer Brechungsindexänderung zwischen wenigstens einem Medium innerhalb der Vorrichtung und einer umgebenden Substratfläche der Vorrichtung auftritt, erfasst und ausgewertet wird. Aus der oder den erfassten Reflexionsintensitäten wird auf die Natur des jeweiligen Mediums oder der jeweiligen Medien geschlossen. Bei der umgebenden Substratfläche handelt es sich insbesondere um die Oberflächen von Kanalstrukturen oder Kammerstrukturen, die in der mikrofluidischen Vorrichtung ausgebildet sind. Es werden also Reflexionsintensitäten zwischen dem jeweiligen Medium und der Oberfläche der umgebenden Kanal- oder Kammerstruktur erfasst. Es hat sich gezeigt, dass je nach der Natur des jeweiligen Mediums eine bestimmte Reflexionsintensität zu erfassen ist, sodass aus der messbaren Reflexionsintensität auf die Natur des jeweiligen Mediums rückgeschlossen werden kann.The present invention proposes a method for recognizing the nature of media within a microfluidic device, with optical detection using a light source and a readout unit being provided. The essence of the invention is that a reflection that occurs due to a change in the refractive index between at least one medium within the device and a surrounding substrate surface of the device is recorded and evaluated. The nature of the respective medium or media is inferred from the reflection intensity or intensities recorded. The surrounding substrate surface is, in particular, the surfaces of channel structures or chamber structures which are formed in the microfluidic device. Reflection intensities between the respective medium and the surface of the surrounding channel or chamber structure are therefore recorded. It has been shown that, depending on the nature of the respective medium, a certain reflection intensity must be recorded, so that conclusions can be drawn about the nature of the respective medium from the measurable reflection intensity.

Mit dem Begriff „Medium“ ist in diesem Zusammenhang insbesondere eine fließfähige Phase, insbesondere eine flüssige oder gasförmige Phase gemeint, die sich innerhalb der Kanäle und/oder Kammern der mikrofluidischen Vorrichtung befindet. Es kann sich dabei beispielsweise um eine wässrige Probenflüssigkeit oder um eine Trägerflüssigkeit, z. B. ein Öl, oder auch um ein Gas oder Gasgemisch, wie z. B. Luft oder ein anderes Gas handeln. Mit dem Begriff „Natur“ ist in diesem Zusammenhang die Art und/oder Zusammensetzung des jeweiligen Mediums gemeint. Die Natur des Mediums umschreibt also, ob es sich beispielsweise um eine gasförmige Phase oder um eine flüssige Phase handelt und gegebenenfalls um welches Gas oder um welche Gaszusammensetzung oder um welche Flüssigkeit oder um welche Flüssigkeitszusammensetzung, beispielsweise eine wässrige Probenflüssigkeit oder eine ölige Zusammensetzung.The term “medium” in this context means in particular a flowable phase, in particular a liquid or gaseous phase, which is located within the channels and / or chambers of the microfluidic device. It can be, for example, an aqueous sample liquid or a carrier liquid, e.g. B. an oil, or a gas or gas mixture, such as. B. act air or another gas. The term “nature” in this context means the type and / or Composition of the respective medium meant. The nature of the medium thus describes whether it is, for example, a gaseous phase or a liquid phase and possibly which gas or which gas composition or which liquid or which liquid composition, for example an aqueous sample liquid or an oily composition.

Es ist bereits bekannt, mithilfe einer Lichtquelle und einer Ausleseeinheit, beispielsweise einer Kamera, eine optische Auslese von (geschlossenen) mikrofluidischen Systemen vorzunehmen, wobei eine Reflexion am Übergang zwischen zwei flüssigen Medien innerhalb des Systems, die unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, mittels der Kamera erfasst wird. Dieses an sich bekannte Verfahren stößt allerdings insbesondere bei sehr kleinen mikrofluidischen Kanälen und bei nicht ausreichender Auflösung der Kamera an seine Grenzen, da der sich ausbildende Meniskus zwischen den flüssigen Medien im Kamerabild dann gegebenenfalls nicht mehr erkennbar ist. Weiterhin kann der Fall auftreten, dass sich die Brechungsindizes der beiden flüssigen Medien derart ähneln, dass eine Unterscheidung zwischen den beiden Medien sehr erschwert ist. Das vorgeschlagene Verfahren sieht demgegenüber vor, dass nicht die Reflexion am Übergang zwischen den unterschiedlichen Medien betrachtet wird, sondern dass eine Brechungsindexänderung zwischen einem Medium und der umgebenden Substratfläche erfasst und ausgewertet wird. Das vorgeschlagene Verfahren nutzt dabei die unterschiedlichen Materialeigenschaften, insbesondere die bestimmten Brechungsindizes der Medien innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung auf der einen Seite und des Materials der Substratfläche, beispielsweise der Kanalstrukturen, auf der anderen Seite. Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren wird also eine Reflexion am Übergang der Substratfläche zum Medium innerhalb des jeweiligen Kanals oder der jeweiligen Kammer gemessen. Je größer der absolute Unterschied zwischen den Brechungsindizes des umgebenden Substrats und des jeweiligen Mediums, desto mehr Licht wird in die Ausleseeinheit, beispielsweise in die Kamera, reflektiert, so dass eine Unterscheidung möglich ist. Diese Unterscheidbarkeit wird durch das bei dem vorgeschlagenen Verfahren auftretende Phänomen der Totalreflexion verstärkt. Dies basiert darauf, dass das Licht durch den Aufbau des Systems und durch die Oberflächenrauigkeit der Grenzfläche zwischen umgebender Substratfläche und Medium gleichzeitig in unterschiedlichen Winkeln auf die Grenzfläche auftrifft. Beim Übergang vom dem im Allgemeinen optisch dichteren Substrat der Kanal- oder Kammerstrukturen zum optisch dünneren Medium in den Kanälen oder Kammern kommt es zu der Totalreflexion, die zusätzlich zur normalen Fresnel-Reflexion auf die Ausleseeinheit trifft. Daher ist es möglich, auch Medien voneinander zu unterscheiden, deren Brechungsindizes sehr nah beieinanderliegen, beispielsweise ölige Medien (Phasen) und wässrige Medien (Phasen), bei denen mit herkömmlichen Verfahren eine Unterscheidung beziehungsweise eine Erkennung des Meniskus kaum möglich ist. Unter Ausnutzung der Totalreflexion durch die Betrachtung der Grenzfläche zwischen umgebendem Substrat und dem jeweiligen Medium sind Unterschiede in den detektierbaren Reflexionsintensitäten messbar, so dass daraus auf die jeweilige Natur des Mediums geschlossen werden kann.It is already known to use a light source and a readout unit, for example a camera, to perform an optical readout of (closed) microfluidic systems, with a reflection at the transition between two liquid media within the system that have different refractive indices being detected by the camera . However, this method, which is known per se, reaches its limits in particular with very small microfluidic channels and in the case of insufficient resolution of the camera, since the meniscus that forms between the liquid media may then no longer be recognizable in the camera image. Furthermore, the case can arise that the refractive indices of the two liquid media are so similar that it is very difficult to distinguish between the two media. In contrast, the proposed method provides that the reflection at the transition between the different media is not considered, but that a change in the refractive index between a medium and the surrounding substrate surface is recorded and evaluated. The proposed method uses the different material properties, in particular the specific refractive indices of the media within the microfluidic device on the one hand and the material of the substrate surface, for example the channel structures, on the other. According to the proposed method, a reflection is measured at the transition from the substrate surface to the medium within the respective channel or the respective chamber. The greater the absolute difference between the refractive indices of the surrounding substrate and the respective medium, the more light is reflected into the readout unit, for example into the camera, so that a differentiation is possible. This distinguishability is reinforced by the phenomenon of total reflection that occurs in the proposed method. This is based on the fact that the light hits the interface at different angles at the same time due to the structure of the system and the surface roughness of the interface between the surrounding substrate surface and the medium. At the transition from the generally optically denser substrate of the channel or chamber structures to the optically thinner medium in the channels or chambers, total reflection occurs, which hits the readout unit in addition to the normal Fresnel reflection. It is therefore also possible to distinguish media from one another whose refractive indices are very close, for example oily media (phases) and aqueous media (phases), in which conventional methods can hardly be used to differentiate or recognize the meniscus. Using total reflection by considering the interface between the surrounding substrate and the respective medium, differences in the detectable reflection intensities can be measured, so that conclusions can be drawn about the respective nature of the medium.

Für das vorgeschlagene Verfahren ist es im Hinblick auf die erwünschte Totalreflexion besonders vorteilhaft, wenn das Licht der Lichtquelle in einem Winkel auf die Grenzfläche fällt. Dies kann mit einer direkten und einer indirekten Beleuchtung erzielt werden. Vorzugsweise wird als Lichtquelle eine indirekte Lichtquelle für das Verfahren eingesetzt, da bei dieser Ausgestaltung das beschriebene Phänomen der Totalreflexion besonders deutlich ist. Durch die indirekte Beleuchtung wird insbesondere vermieden, dass zuviel Licht auf einen Detektor der Auswerteeinheit, die die Reflexion erfasst, trifft, wodurch die Unterschiede zwischen den Medien weniger gut erkennbar wären.For the proposed method, with regard to the desired total reflection, it is particularly advantageous if the light from the light source strikes the interface at an angle. This can be achieved with direct and indirect lighting. An indirect light source is preferably used as the light source for the method, since in this embodiment the described phenomenon of total reflection is particularly clear. The indirect lighting prevents, in particular, that too much light hits a detector of the evaluation unit that detects the reflection, as a result of which the differences between the media would be less recognizable.

Bei den Medien, die gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren erkennbar beziehungsweise unterscheidbar sind, handelt es sich insbesondere um gasförmige Phasen und/oder um flüssige Phasen. Vorzugsweise wird aus der erfassten Reflexionsintensität auch auf die Position des jeweiligen Mediums innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung geschlossen. Beispielsweise können mit dem vorgeschlagenen Verfahren eine gasförmige Phase und eine oder mehrere flüssige Phasen voneinander unterschieden werden. So kann aus den erfassten Reflexionsintensitäten insbesondere auf den Füllstand der mikrofluidischen Vorrichtung mit der wenigstens einen flüssigen Phase durch Unterscheidung zwischen Luft und flüssiger Phase geschlossen werden. Weiterhin ist es möglich, den Füllstand bei einer Befüllung mit einem Mehrphasensystem zu erkennen.The media that can be identified or distinguished according to the proposed method are in particular gaseous phases and / or liquid phases. The position of the respective medium within the microfluidic device is preferably also deduced from the detected reflection intensity. For example, a gaseous phase and one or more liquid phases can be distinguished from one another with the proposed method. Thus, in particular the fill level of the microfluidic device with the at least one liquid phase can be inferred from the recorded reflection intensities by distinguishing between air and liquid phase. It is also possible to identify the filling level when filling with a multi-phase system.

Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich in besonderer Weise für mikrofluidische Vorrichtungen, bei denen ein Grenzflächenmeniskus zwischen verschiedenen Medien innerhalb der Vorrichtung mit herkömmlichen Methoden sehr schlecht erkennbar ist. Hierbei nutzt das vorgeschlagene Verfahren gewissermaßen eine indirekte Messung, indem die Natur des jeweiligen Mediums innerhalb der Strukturen (z.B. Kanäle und Kammern) der mikrofluidischen Vorrichtung anhand einer Brechungsindexänderung zwischen dem Medium und der umgebenden Substratfläche erkannt wird. So kann auf die Position einer Grenzfläche zwischen verschiedenen Medien innerhalb der Strukturen der mikrofluidischen Vorrichtung rückgeschlossen werden. Dieses Verfahren hat den besonderen Vorteil, dass eine bereits vorhandene Kamera, die beispielsweise für Analysezwecke vorgesehen ist, genutzt werden kann. Es müssen keine zusätzlichen fluoreszenten oder anderen Marker verwendet werden, um die Medien innerhalb der Vorrichtung detektieren zu können. Es können mit dem vorgeschlagenen Verfahren auch Grenzflächen zwischen transparenten Medien erkannt werden, wobei der Meniskus beziehungsweise die Grenzfläche zwischen verschiedenen Medien deutlich besser detektiert werden kann als bei herkömmlichen Verfahren, bei denen der Meniskus möglicherweise gar nicht erkennbar ist.The proposed method is particularly suitable for microfluidic devices in which an interface meniscus between different media within the device is very difficult to recognize using conventional methods. The proposed method uses an indirect measurement, as it were, in that the nature of the respective medium within the structures (eg channels and chambers) of the microfluidic device is recognized on the basis of a refractive index change between the medium and the surrounding substrate surface. In this way, conclusions can be drawn about the position of an interface between different media within the structures of the microfluidic device. This method has the particular advantage that an existing camera, which is provided for analysis purposes, for example, can be used. No additional fluorescent or other markers have to be used in order to be able to detect the media within the device. The proposed method can also be used to detect interfaces between transparent media, with the meniscus or the interface between different media being able to be detected much better than with conventional methods, in which the meniscus may not be visible at all.

Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass sich insbesondere die messbaren Reflexionsintensitäten zwischen Luft und Substratfläche, zwischen wässriger Lösung und Substratfläche und zwischen öliger Flüssigkeit und Substratfläche deutlich voneinander unterscheiden, so dass die Befüllung der Strukturen einer mikrofluidischen Vorrichtung mit dem jeweiligen Medium erkannt und das Medium identifiziert werden kann. So kann beispielsweise mit dem vorgeschlagenen Verfahren eine Befüllung mit Luft und wenigstens einer flüssigen Phase voneinander unterschieden werden, so dass aus der oder den erfassten Reflexionsintensitäten auf den Füllstand einer mikrofluidischen Vorrichtung mit wenigstens einer flüssigen Phase geschlossen werden kann. Weiterhin kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren der Füllstand bei Zwei- oder Mehrphasensystemen detektiert werden, wobei mit dem Begriff „Mehrphasensystem“ in diesem Zusammenhang ein System gemeint ist, das aus zwei oder mehr flüssigen Phasen zusammengesetzt ist, beispielsweise einer oder mehreren wässrigen Phasen und einer oder mehreren öligen Phasen. Durch Rückschluss auf die Natur der jeweiligen Phase in einem bestimmten Bereich der mikrofluidischen Vorrichtung beziehungsweise innerhalb des Kanalsystems oder anderweitiger Strukturen der Vorrichtung auf der Basis des vorgeschlagenen Verfahrens kann somit auf die Position der Grenzfläche zwischen den unterschiedlichen flüssigen Phasen innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung geschlossen werden. Aus der Position der Grenzfläche kann wiederum auf den Füllstand der mikrofluidischen Vorrichtung mit wenigstens einer der flüssigen Phasen rückgeschlossen werden.Investigations by the inventors have shown that in particular the measurable reflection intensities between air and substrate surface, between aqueous solution and substrate surface and between oily liquid and substrate surface differ significantly from each other, so that the filling of the structures of a microfluidic device with the respective medium is recognized and the medium is identified can be. For example, the proposed method can be used to differentiate between filling with air and at least one liquid phase, so that conclusions can be drawn about the fill level of a microfluidic device with at least one liquid phase from the detected reflection intensity or intensities. The proposed method can also be used to detect the fill level in two- or multi-phase systems, the term “multi-phase system” in this context being a system that is composed of two or more liquid phases, for example one or more aqueous phases and one or more several oily phases. By inferring the nature of the respective phase in a certain area of the microfluidic device or within the channel system or other structures of the device on the basis of the proposed method, conclusions can be drawn about the position of the interface between the different liquid phases within the microfluidic device. The fill level of the microfluidic device with at least one of the liquid phases can in turn be inferred from the position of the interface.

Bei der umgebenden Substratfläche der Vorrichtung, also beispielsweise bei der Substratfläche der Kanal- und Kammerstrukturen der Vorrichtung, kann es sich insbesondere um Polycarbonat und/oder Glas handeln. Derartige Materialien werden bereits herkömmlicherweise oftmals für derartige mikrofluidische Vorrichtungen eingesetzt. Vor allem die Verwendung von Polycarbonat eignet sich in besonderer Weise für das vorgeschlagene Verfahren, da mit Polycarbonat als Substratfläche deutliche Unterschiede in den Reflexionsintensitäten zwischen verschiedenen Medien und der Substratfläche messbar sind.The surrounding substrate surface of the device, that is to say, for example, the substrate surface of the channel and chamber structures of the device, can in particular be polycarbonate and / or glass. Such materials are already conventionally often used for such microfluidic devices. Above all, the use of polycarbonate is particularly suitable for the proposed method, since with polycarbonate as the substrate surface, clear differences in the reflection intensities between different media and the substrate surface can be measured.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird ein optisches Öl als Medium eingesetzt, dessen Brechungsindex hoch ist (Hoch-BI-ÖI), insbesondere höher als der Brechungsindex von Polycarbonat oder einem anderen Substratmaterial, das für die Vorrichtung verwendet wird. Insbesondere kann dieses optische Öl einen Brechungsindex von 1,6 oder höher aufweisen. Bei der Verwendung von solchen optischen Ölen, z.B. im Rahmen eines Zweiphasen-Systems mit dem Öl als Trägerflüssigkeit und einer wässrigen Probenflüssigkeit, ist eine Unterscheidung zwischen den unterschiedlichen Medien noch einfacher möglich, da bei dem Öl aufgrund von dessen optischen Eigenschaften im Wesentlichen keine Totalreflexion auftritt.In a particularly preferred embodiment of the method, an optical oil is used as the medium, the refractive index of which is high (high BI-oil), in particular higher than the refractive index of polycarbonate or another substrate material that is used for the device. In particular, this optical oil can have a refractive index of 1.6 or higher. When using such optical oils, e.g. In the context of a two-phase system with the oil as the carrier liquid and an aqueous sample liquid, it is even easier to differentiate between the different media, since the oil, due to its optical properties, essentially does not reflect total reflection.

Bei der Lichtquelle kann es sich vorzugsweise um eine LED-Lichtquelle handeln, beispielsweise eine kollimierte LED-Lichtquelle. Derartige Lichtquellen werden bereits vielfach im Rahmen der Prozessierung von mikrofluidischen Vorrichtungen eingesetzt und können auch für das vorgeschlagene Verfahren eingesetzt werden, wobei die LED-Lichtquelle vorzugsweise für eine indirekte Beleuchtung der mikrofluidischen Vorrichtung verwendet wird. Als Kamera kann beispielsweise eine Kamera verwendet werden, wie sie üblicherweise in Analysegeräten eingesetzt wird, beispielsweise eine integrierte CMOS-Kamera (CMOS - Complementary Metal Oxide Semiconductor).The light source can preferably be an LED light source, for example a collimated LED light source. Such light sources are already widely used in the context of the processing of microfluidic devices and can also be used for the proposed method, the LED light source preferably being used for indirect illumination of the microfluidic device. For example, a camera can be used as the camera, such as is usually used in analysis devices, for example an integrated CMOS camera (CMOS - Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Die Erfindung umfasst weiterhin ein Computerprogramm, das zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Insbesondere sind in diesem Computerprogramm entsprechende Algorithmen enthalten, mit denen auf der Basis von hinterlegten oder eingelernten Daten zu bestimmten Reflexionsintensitäten, die zwischen bestimmten Medien und bestimmten Substratflächen messbar sind, auf die jeweiligen Medien rückgeschlossen werden kann, so dass beispielsweise eine Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen flüssigen Phasen detektiert werden kann und/oder ein Füllstand der mikrofluidischen Vorrichtung in der oben beschriebenen Weise bestimmt werden kann.The invention further comprises a computer program which is set up to carry out the method described. In particular, this computer program contains corresponding algorithms with which, on the basis of stored or taught-in data on certain reflection intensities that can be measured between certain media and certain substrate surfaces, conclusions can be drawn about the respective media, so that, for example, an interface between two different liquid Phases can be detected and / or a fill level of the microfluidic device can be determined in the manner described above.

Die Erfindung umfasst weiterhin ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein solches Computerprogramm gespeichert ist, sowie ein elektronisches Steuergerät, das zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Dieses elektronische Steuergerät ist insbesondere ein Steuergerät, das zur Prozessierung von mikrofluidischen Vorrichtungen vorgesehen ist.The invention further comprises a machine-readable storage medium on which such a computer program is stored, as well as an electronic control device which is set up to carry out the described method. This electronic control device is in particular a control device which is provided for processing microfluidic devices.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein. Further features and advantages of the invention emerge from the following description of exemplary embodiments in conjunction with the drawings. The individual features can be implemented individually or in combination with one another.

In den Zeichnungen zeigen:

1 schematische Darstellung eines mikrofluidischen Kanals in Aufsicht (Teilfigur A) und in seitlicher Ansicht (Teilfigur B) zur Illustrierung des vorgeschlagenen Verfahrens;
2 schematische Darstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung (Fluidikchip) mit Lichtquelle und Ausleseeinheit und
3 Intensitätsprofile (A, B, C, D) von unterschiedlichen Medien.

In the drawings show:

1 schematic representation of a microfluidic channel in plan view (partial figure A) and in side view (partial figure B) to illustrate the proposed method;
2 schematic representation of a microfluidic device (fluidic chip) with light source and readout unit and
3 Intensity profiles (A, B, C, D) of different media.

Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments

1 zeigt in Aufsicht (Teilfigur A) und in Seitenansicht (Teilfigur B) einen beispielhaften mikrofluidischen Kanal 100 einer mikrofluidischen Vorrichtung. Der Kanal 100 ist als Struktur in einem Substratmaterial ausgebildet, so dass die Wandungen des Kanals 100 von der Substratfläche 200 gebildet werden. Der Kanal 100 ist etwa zur Hälfte mit einem ersten Medium 101 und zur anderen Hälfte mit einem weiteren Medium 102 gefüllt. Die optischen Brechungsindizes n der Medien 101 und 102 unterscheiden sich. In diesem beispielhaften Fall ist das Medium 101 das optisch dichtere Medium und weist einen höheren Brechungsindex n als das Medium 102 auf. Zwischen den beiden Phasen 101 und 102 bildet sich aufgrund einer Grenzflächenspannung ein Meniskus 150 aus, dessen Orientierung von der Grenzflächenspannung der Medien abhängig ist. Die mikrofluidische Vorrichtung und also auch der Kanal 100 werden mittels einer Lichtquelle 300 beleuchtet. Weiterhin ist eine Kamera 400 als Ausleseeinheit vorgesehen. Die reflektierte Strahlung wird mithilfe einer geeigneten Software 410 auswertet. In an sich bekannter Weise findet unter geeigneten Umständen am Meniskus 150 durch eine Änderung der Brechungsindizes zwischen den beiden Medien 101 und 102 eine Reflexion statt, die mittels der Kamera 400 prinzipiell detektiert werden kann. Mittels geeigneter Softwareroutinen kann aus der so ermittelbaren Position des Meniskus 150 ein Füllstand der mikrofluidischen Vorrichtung in an sich bekannter Weise errechnet werden. Der Meniskus 150 selbst ist eine sehr dünne Grenzfläche, weshalb für derartige herkömmliche Verfahren eine verhältnismäßig hohe Auflösung der Kamera erforderlich ist. Dieses im Prinzip aus dem Stand der Technik bekannte Vorgehen stößt jedoch sehr schnell an seine Grenzen, insbesondere wenn der Kanal 100 sehr klein ist und/oder wenn die Auflösung der Kamera 400 nicht ausreichend ist und/oder wenn die Unterschiede in den Brechungsindizes der Medien 101 und 102 nicht sehr groß sind. Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren wird insbesondere in solchen Fällen eine indirekte Messung durchgeführt, indem eine Brechungsindexänderung zwischen der Substratfläche 200 der Wände des Kanals 100 und dem Medium 101 beziehungsweise 102 betrachtet wird. Diesem Verfahren liegt zugrunde, dass bei gleichmäßiger Beleuchtung eine stärkere Reflexion messbar ist, wenn der Brechungsunterschied zwischen Substratfläche 200 und Medium größer ist. In diesem Beispiel ist angenommenerweise der Brechungsunterschied zwischen dem Medium 102 und der Substratfläche 200 größer, weshalb die Wände des Kanals 100 im Bereich des Mediums 102 stärker leuchten als die Wände im Bereich des Mediums 101. Anhand der unterschiedlichen Intensitäten der messbaren Reflexion ist der Übergang von Medium 102 zu Medium 101 optisch mithilfe der Kamera 400 auslesbar. Da die reflektierende Region der Wände des Kanals 100 in der Regel sowohl länger als auch breiter als der Meniskus 150 ist, ist bei diesem Verfahren im Vergleich mit herkömmlichen Verfahren eine erhöhte Fehlertoleranz bei der Grenzflächenbestimmung möglich. 1 shows an exemplary microfluidic channel in plan view (partial figure A) and in side view (partial figure B) 100 a microfluidic device. The channel 100 is designed as a structure in a substrate material, so that the walls of the channel 100 from the substrate surface 200 are formed. The channel 100 is about half with a first medium 101 and the other half with another medium 102 filled. The optical indices of refraction n of the media 101 and 102 differ. In this exemplary case, the medium is 101 the optically denser medium and has a higher refractive index n than the medium 102 on. Between the two phases 101 and 102 A meniscus forms due to interfacial tension 150 whose orientation depends on the interfacial tension of the media. The microfluidic device and therefore also the channel 100 are by means of a light source 300 illuminated. There is also a camera 400 provided as a readout unit. The reflected radiation is generated using suitable software 410 evaluates. In a manner known per se, takes place on the meniscus under suitable circumstances 150 by changing the refractive indices between the two media 101 and 102 a reflection takes place by means of the camera 400 can in principle be detected. Using suitable software routines, the position of the meniscus can be determined in this way 150 a fill level of the microfluidic device can be calculated in a manner known per se. The meniscus 150 itself is a very thin interface, which is why a relatively high resolution of the camera is required for such conventional methods. However, this procedure, which is known in principle from the prior art, quickly reaches its limits, especially when the channel 100 is very small and / or if the resolution of the camera 400 is insufficient and / or if the differences in the indices of refraction of the media 101 and 102 are not very big. According to the proposed method, an indirect measurement is carried out, in particular in such cases, by changing the refractive index between the substrate surface 200 the walls of the canal 100 and the medium 101 respectively 102 is looked at. This method is based on the fact that with uniform illumination, a stronger reflection can be measured if the difference in refraction between the substrate surface 200 and medium is larger. In this example it is believed to be the difference in refraction between the medium 102 and the substrate area 200 bigger, which is why the walls of the canal 100 in the area of the medium 102 shine more strongly than the walls in the area of the medium 101 . The transition from medium is based on the different intensities of the measurable reflection 102 to medium 101 optically using the camera 400 readable. As the reflective region of the walls of the channel 100 usually both longer and wider than the meniscus 150 is, with this method, compared to conventional methods, an increased error tolerance is possible in the boundary surface determination.

Die Medien 101 und 102 können beispielsweise flüssige Medien beziehungsweise flüssige Phasen sein. Es ist jedoch auch möglich, dass beispielsweise die Phase 101 eine flüssige Phase, beispielsweise eine wässrige Lösung, und die Phase 102 eine gasförmige Phase, beispielsweise Luft, ist.The media 101 and 102 can for example be liquid media or liquid phases. However, it is also possible, for example, that the phase 101 a liquid phase, for example an aqueous solution, and the phase 102 is a gaseous phase such as air.

Auf diese Weise können also unterschiedliche Medien innerhalb der Kanalstruktur einer mikrofluidischen Vorrichtung voneinander unterschieden werden. Auf dieser Basis können Grenzflächen zwischen einer gasförmigen Phase (z. B. Luft) und einer flüssigen Phase (z. B. Probenflüssigkeit) oder auch Grenzflächen zwischen unterschiedlichen flüssigen Phasen (z.B. Probenflüssigkeit und ölige Trägerflüssigkeit) detektiert werden. Das Verfahren eignet sich beispielsweise für eine Unterscheidung zwischen Ölen, die im Allgemeinen einen Brechungsindex zwischen 1,4 und 1,5 aufweisen, und wässrigen Lösungen, die im Allgemeinen einen Brechungsindex um 1,3 aufweisen, und/oder Luft, die einen Brechungsindex von 1 aufweist. Mit besonderem Vorteil kann das vorgeschlagene Verfahren für Systeme mit optischen Ölen verwendet werden, deren Brechungsindex höher als beispielsweise Polycarbonat ist, z.B. ein Öl mit einem Brechungsindex von 1,6 oder höher (Hoch-BI-Öle), beispielsweise zwischen etwa 1,6 bis 2,2, beispielsweise 1,8. Bei der Verwendung von solchen optischen Ölen, z.B. im Rahmen eines Zweiphasen-Systems mit dem Öl als Trägerflüssigkeit und einer wässrigen Probenflüssigkeit, ist eine Unterscheidung zwischen den unterschiedlichen Medien noch einfacher möglich, da für das Öl aufgrund von dessen optischen Eigenschaften der Totalreflexionsterm gewissermaßen wegfällt.In this way, different media can be distinguished from one another within the channel structure of a microfluidic device. On this basis, interfaces between a gaseous phase (e.g. air) and a liquid phase (e.g. sample liquid) or interfaces between different liquid phases (e.g. sample liquid and oily carrier liquid) can be detected. The method is suitable, for example, for a distinction between oils, which generally have a refractive index between 1.4 and 1.5, and aqueous solutions, which generally have a refractive index around 1.3, and / or air, which has a refractive index of 1 has. The proposed method can be used with particular advantage for systems with optical oils whose refractive index is higher than, for example, polycarbonate, for example an oil with a refractive index of 1.6 or higher (high-BI oils), for example between about 1.6 to 2.2, for example 1.8. When using such optical oils, for example in the context of a two-phase system with the oil as the carrier liquid and one aqueous sample liquid, it is even easier to differentiate between the different media, since the total reflection term is to a certain extent omitted for the oil due to its optical properties.

Als Substrate für das mikrofluidische Netzwerk eignen sich Polymere, wie beispielsweise Polycarbonat, das einen Brechungsindex von 1,58 aufweist, und/oder Glas, das einen Brechungsindex zwischen etwa 1,4 bis 2,1 aufweisen kann. Als Lichtquellen können insbesondere LED-Lichtquellen verwendet werden. Als Kamera eignen sich beispielsweise übliche Kameras, die in Analysegeräten verwendet werden, beispielsweise integrierte CMOS-Kameras.Suitable substrates for the microfluidic network are polymers such as, for example, polycarbonate, which has a refractive index of 1.58, and / or glass, which can have a refractive index between approximately 1.4 to 2.1. In particular, LED light sources can be used as light sources. Conventional cameras that are used in analysis devices, for example integrated CMOS cameras, are suitable as cameras.

2 illustriert den Aufbau einer Anordnung, mit der das vorgeschlagene Verfahren durchgeführt werden kann. Gezeigt ist eine mikrofluidische Vorrichtung 210, die eine Struktur für ein mikrofluidisches Netzwerk innerhalb eines Substratmaterials 200 aufweist. Die Struktur der Vorrichtung 210 umfasst insbesondere ein System aus Kanälen und/oder Kammern, wobei hier in beispielhafter Weise der Kanal 100 angedeutet ist. Die mikrofluidische Vorrichtung 210 kann insbesondere als mikrofluidischer Chip ausgestaltet sein, der beispielsweise aus Polycarbonat gefertigt ist. Die Vorrichtung 210 wird mittels der Lichtquelle 300 beleuchtet. Die reflektierte Strahlung 310 wird mittels der Kamera 400 detektiert und wird entsprechend ausgewertet. Als Lichtquelle 300 kann insbesondere eine kollimierte LED-Lichtquelle verwendet werden, die seitlich auf die mikrofluidische Vorrichtung 210 scheint. Der beispielhaft gezeigte Kanal 100 der mikrofluidischen Vorrichtung 210 ist mit einem bestimmten Medium gefüllt. In Abhängigkeit von der Natur des Mediums wird durch Reflexion (Totalreflexion und Normalreflexion) am Übergang zwischen dem Substrat 200 als Kanalwandung und dem Medium als Kanalinhalt an der Kanalwand Licht 310 reflektiert und von der Kamera 400 detektiert. Abhängig von dem jeweiligen Medium treten an den Kanalwänden unterschiedliche Reflexionsintensitäten auf, sodass aus der messbaren Reflexionsintensität auf die Natur des jeweiligen Mediums rückgeschlossen werden kann. 2 illustrates the structure of an arrangement with which the proposed method can be carried out. A microfluidic device is shown 210 , which is a structure for a microfluidic network within a substrate material 200 having. The structure of the device 210 comprises in particular a system of channels and / or chambers, the channel here as an example 100 is indicated. The microfluidic device 210 can in particular be designed as a microfluidic chip which is made of polycarbonate, for example. The device 210 is by means of the light source 300 illuminated. The reflected radiation 310 is by means of the camera 400 is detected and evaluated accordingly. As a light source 300 In particular, a collimated LED light source can be used, which is directed laterally onto the microfluidic device 210 seems. The channel shown as an example 100 the microfluidic device 210 is filled with a certain medium. Depending on the nature of the medium, reflection (total reflection and normal reflection) at the transition between the substrate 200 as the channel wall and the medium as channel content on the channel wall is light 310 reflected and off the camera 400 detected. Depending on the respective medium, different reflection intensities occur on the channel walls, so that conclusions can be drawn about the nature of the respective medium from the measurable reflection intensity.

3 zeigt verschiedene Intensitätsprofile (A bis D), die bei einer Füllung eines sich verzweigenden Kanalsystems in einem Polycarbonat-Substrat (PC) mit unterschiedlichen Medien detektierbar sind. So zeigt Teilfigur A ein Intensitätsprofil bei einer Füllung mit Luft (Brechungsindex 1), Teilfigur B ein Intensitätsprofil bei einer Füllung mit Wasser (Brechungsindex 1,33), C ein Intensitätsprofil bei einer Füllung mit Silikonöl (Brechungsindex 1,39) und D ein Intensitätsprofil bei einer Füllung mit einem optischen Öl mit hohem Brechungsindex (Hoch-BI-ÖI) (Brechungsindex 1,77). Die nachfolgende Tabelle fasst die messbaren (simulierten) mittleren Reflexionsintensitäten an den Kanalwänden bei einer Füllung mit unterschiedlichen Medien und das jeweilige prozentuale Verhältnis zu einem leeren Kanal beziehungsweise zu einem mit Luft gefüllten Kanal zusammen. Tabelle: simulierte Reflexionsintensitäten verschiedener Medien (PC - Polycarbonat; LIF - Silikonöl; HBIÖ - Hoch-BI-Öl) Übergang Mittlere Intensität Kanalwände Verhältnis zu leerem Kanal PC (n=1,58) - Luft 2656 100 % PC - Wasser 1637 61,63 % PC -LIF (n=1,39) 1531 57,64 % PC-HBIÖ (n=1,77) 963 36,26 % 3 shows different intensity profiles (A to D) that can be detected when filling a branching channel system in a polycarbonate substrate (PC) with different media. Part A shows an intensity profile when filled with air (refractive index 1), part B shows an intensity profile when filled with water (refractive index 1.33), C. an intensity profile for a filling with silicone oil (refractive index 1.39) and D. an intensity profile for a filling with an optical oil with a high refractive index (high BI oil) (refractive index 1.77). The following table summarizes the measurable (simulated) mean reflection intensities on the duct walls when filled with different media and the respective percentage ratio to an empty duct or to a duct filled with air. Table: simulated reflection intensities of different media (PC - polycarbonate; LIF - silicone oil; HBIÖ - high BI oil) crossing Medium intensity canal walls Relation to empty channel PC (n = 1.58) - air 2656 100% PC - water 1637 61.63% PC -LIF (n = 1.39) 1531 57.64% PC-HBIÖ (n = 1.77) 963 36.26%

Bei den Untersuchungen der Erfinder zeigt sich dabei, dass sich die Wahl eines höher-brechungsindizierten Mediums deutlich auf die Reflexion an den Kanalwänden auswirkt, trotz der durch die Fresnel-Gleichung zu erwartenden gleichen Reflexion. Die Fresnel-Gleichung ist nachfolgend dargestellt: $R (α) = \frac{{(\frac{n_{1} cos α - \sqrt{n_{2}^{2} - n_{1}^{2} sin α}}{n_{1} cos α + \sqrt{n_{2}^{2} - n_{1}^{2} sin α}})}^{2} + {(\frac{n_{2}^{2} cos α - n_{1} \sqrt{n_{2}^{2} - n_{1}^{2} sin α}}{n_{2}^{2} cos α + n_{1} \sqrt{n_{2}^{2} - n_{1}^{2} sin α}})}^{2}}{2}$

Dies ist beispielsweise daran zu erkennen, dass der absolute Brechungsindexunterschied zwischen Polycarbonat (n=1,58) und Silikonöl (n=1,39) sowie Hoch-BI-Öl (n=1,77) gleich ist, nämlich 0,19. Insgesamt erlaubt das System dabei insbesondere bei einer geeigneten Wahl der eingesetzten Medien die Unterscheidung der verschiedenen Phasen beziehungsweise Medien, die durch Reflexion an der Kanalwand erkennbar sind und beispielsweise softwarebasiert entsprechend ausgewertet werden können.The inventors' investigations show that the choice of a medium with a higher refraction index has a clear effect on the reflection on the channel walls, despite the same reflection to be expected from the Fresnel equation. The Fresnel equation is shown below:

R. (α) = \frac{{(\frac{n_{1} cos α - \sqrt{n_{2}^{2} - n_{1}^{2} sin α}}{n_{1} cos α + \sqrt{n_{2}^{2} - n_{1}^{2} sin α}})}^{2} + {(\frac{n_{2}^{2} cos α - n_{1} \sqrt{n_{2}^{2} - n_{1}^{2} sin α}}{n_{2}^{2} cos α + n_{1} \sqrt{n_{2}^{2} - n_{1}^{2} sin α}})}^{2}}{2}

This can be seen, for example, from the fact that the absolute refractive index difference between polycarbonate (n = 1.58) and silicone oil (n = 1.39) and high-BI oil (n = 1.77) is the same, namely 0.19. Overall, the system allows the differentiation of the media, especially with a suitable choice of the media used different phases or media that can be recognized by reflection on the duct wall and, for example, can be evaluated using software.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

US 9492822 B2 [0004]
US 2001/0027918 A1 [0004]

Claims

Method for recognizing the nature of media (101, 102) within a microfluidic device (210), an optical detection using a light source (300) and a readout unit (400) being provided, characterized in that a reflection (310), which occurs due to a change in the refractive index between at least one medium (101, 102) and a surrounding substrate surface (200) of the device (210), is recorded and evaluated, with the reflection intensity (s) recorded on the nature of the respective medium or media 101, 102) is closed.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that the light source (300) is used for indirect illumination of the microfluidic device (210).

Procedure according to Claim 1 or Claim 2 , characterized in that the media (101, 102) are gaseous phases and / or liquid phases.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the position of the respective medium (101, 102) within the microfluidic device (210) is deduced from the detected reflection intensity.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the media are air and at least one liquid phase, and that the fill level of the microfluidic device with the at least one liquid phase is deduced from the detected reflection intensity or intensities.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the media (101, 102) are at least two liquid phases of a liquid multiphase system, the liquid phases differing in their refractive indices, and that from the detected reflection intensity or intensities on the position of an interface (150) is closed between the at least two liquid phases within the microfluidic device (210).

Procedure according to Claim 6 , characterized in that the multiphase system is formed by at least one aqueous phase and at least one oily phase.

Procedure according to Claim 6 or Claim 7 , characterized in that a level of the microfluidic device (210) with at least one of the liquid phases is deduced from the position of the interface (150) between the at least two liquid phases.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the surrounding substrate surface (200) of the device (210) consists at least partially of polycarbonate and / or glass.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the medium is an optical oil with a refractive index of 1.6 or higher.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the light source (300) is an LED light source.

Computer program (410) which is set up to carry out the steps of a method according to one of the preceding claims.

Machine-readable storage medium on which a computer program (410) is based Claim 12 is stored.

Electronic control device which is set up to carry out the steps of a method according to one of the Claims 1 to 11 perform.