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WO2014198703A1 - Fluid handling apparatus and method for processing a liquid using a diffusion barrier - Google Patents

Fluid handling apparatus and method for processing a liquid using a diffusion barrier Download PDF

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Publication number
WO2014198703A1
WO2014198703A1 PCT/EP2014/061990 EP2014061990W WO2014198703A1 WO 2014198703 A1 WO2014198703 A1 WO 2014198703A1 EP 2014061990 W EP2014061990 W EP 2014061990W WO 2014198703 A1 WO2014198703 A1 WO 2014198703A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
compression chamber
liquid
fluid
chamber
gas
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/061990
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Nils Paust
Simon Wadle
Gregor CZILWIK
Original Assignee
Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V., Albert-Ludwigs-Universität Freiburg filed Critical Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.
Publication of WO2014198703A1 publication Critical patent/WO2014198703A1/en

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    • B01L2400/0409Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces centrifugal forces

Definitions

  • the present invention relates to a fluid handling apparatus and method for processing a fluid in which a liquid disposed in a compression chamber is heated to process the same.
  • Such devices and methods can be used in particular in biochemical methods, such as temperature-controlled, biochemical analysis methods (eg, those known as Sanger Sequencing, Ligase Chain Reaction, DNA Restriction, S nger Sequencing, Enzyme Kinetic Monitoring), and in particular a PCR ( Polymerase chain reaction) can be used.
  • biochemical analysis methods eg, those known as Sanger Sequencing, Ligase Chain Reaction, DNA Restriction, S nger Sequencing, Enzyme Kinetic Monitoring
  • PCR Polymerase chain reaction
  • US 812,893 B2 describes the use of an overpressure due to a temperature increase for switching liquids by means of a thermal control. By locally heating air is expanded and thus liquids are transported on.
  • the object underlying the present invention is to provide a fluid handling device and a method for processing a fluid, which allow pressure reduction in order to realize unitary fluid operations, such as in-pumping, even at elevated temperatures.
  • Embodiments of the invention provide a fluid handling device comprising: a compression chamber having a first compression chamber portion and a second compression chamber portion, the first compression chamber portion having a fluid inlet through which a fluid is insertable into the compression chamber; a vapor diffusion barrier between the first compression chamber portion and the second compression chamber portion; and a heater configured to heat at least the first compression chamber portion and the contents thereof, wherein the steam diffusion barrier is configured to heat an evaporating rate of a liquid disposed in the first compression chamber portion to a temperature at which the first compression chamber portion and its contents heat up At least reduce second compression chamber portion arranged gas and thus to reduce a pressure increase in the compression chamber.
  • Processing the liquid in the first compression chamber portion comprises heating at least the liquid disposed in the first compression chamber portion, wherein a vapor diffusion barrier is disposed between the compression chamber portion and the second compression chamber portion, such that when heated, an evaporation rate of the liquid disposed in the first compression chamber portion is at least reduced in the arranged in the second compression chamber section gas and thus a pressure increase in the compression chamber is reduced.
  • Embodiments of the invention are based on the recognition that by separating a liquid volume from an enclosed gas volume in a compression chamber by a diffusion barrier, the total pressure for the duration of a processing (for example, according to a processing protocol) can be significantly reduced because the total amount of water vapor produced is reduced or reduced can be minimized.
  • the vapor diffusion barrier is one way to reduce or regulate the total pressure in a closed reaction space. By reducing and controlling the total pressure, a completely closed system can be realized whose function is not affected by the elevated temperatures and in which no external elements are necessary to build up a back pressure.
  • the compression chamber is not vented, wherein the fluid is introduced into the compression chamber via the fluid inlet to compress a volume of gas trapped in the compression chamber.
  • one of the compression chamber sections is provided with a valve which can be selectively opened to allow venting of the compression chamber or closed to prevent venting of the compression chamber.
  • Embodiments may include a controller configured to open the valve during introduction of the liquid to establish pressure equalization in the compression chamber, and after insertion of the liquid or after introduction of the liquid and at least partial heating of the liquid, the valve in order to subsequently reduce, with the valve closed, during periods of elevated temperature, an increase in pressure in the compression chamber caused by evaporation through the diffusion barrier.
  • the vapor diffusion barrier has a capillary channel fluidly connecting the first compression chamber portion to the second compression chamber portion.
  • the total pressure in the closed system i. the non-vented compression chamber, by the choice of geometric parameters, such as channel cross-section or channel length of the capillary channel, are regulated.
  • the capillary channel has a length which is at least 3 times, 5 times or 10 times greater than the hydraulic diameter of the capillary channel and / or in which the volume of the second compression chamber portion at least 5 times 10 times or 20 times larger than the product of cross section and length of the capillary channel.
  • the vapor diffusion barrier comprises a gas-permeable and liquid-impermeable membrane that separates the first compression chamber portion and the second compression chamber portion.
  • a capillary channel between two compression chamber sections is not necessary.
  • Alternati can also be a vapor diffusion barrier a combination of a capillary channel and a gas permeable and liquid impermeable membrane may be implemented.
  • the fluid handling device further includes a collection chamber fluidly connected to the compression chamber via an outlet fluid channel, the outlet fluid channel having an outlet fluid channel inlet opening into the compression chamber and located radially outward than an outlet fluid channel outlet of the outlet fluid channel flows into the catch chamber, wherein liquid from the first compression chamber portion is drivable by expanding the gas arranged in the compression chamber through the Auslassfluidkanal into the catch chamber.
  • a collection chamber fluidly connected to the compression chamber via an outlet fluid channel
  • the outlet fluid channel having an outlet fluid channel inlet opening into the compression chamber and located radially outward than an outlet fluid channel outlet of the outlet fluid channel flows into the catch chamber, wherein liquid from the first compression chamber portion is drivable by expanding the gas arranged in the compression chamber through the Auslassfluidkanal into the catch chamber.
  • the fluid inlet is fluidically connected to an inlet chamber, wherein the compression chamber and the inlet chamber are formed in a rotary body or a fluidic module that is insertable into a rotary body, so that by rotation of the rotary body, the liquid by centrifugal force from the inlet chamber into the first compression chamber section can be introduced.
  • the corresponding fluidic structures may be implemented in a non-centrifugal system, such as a gravitational force-based system or a pressure-driven system.
  • a ratio between flow resistance of the outlet fluid channel for fluid flow from the compression chamber to the collection chamber and flow resistance of an inlet fluid channel between the compression chamber and the inlet chamber for fluid flow from the compression chamber to the inlet chamber may be adjusted by a particular ratio between volume flow into the collecting chamber and a volume flow into the inlet chamber.
  • the corresponding flow resistance of the Auslassfluidkanals may be smaller than the corresponding flow resistance of the inlet fluid channel, so that a targeted emptying of the liquid from the compression chamber can be effected in the collecting chamber.
  • the fluid handling device further includes a drive device configured to apply rotation to the fluid handling device.
  • the drive device can be designed in such a way that, in a first phase, the rotational body is subjected to a rotation frequency such that the gas in the compression chamber is compressed by the introduced liquid, and in a second phase, after a temperature treatment of the fluid, to reduce the rotational frequency, in order to drive at least parts of the liquid out of the compression chamber into the collecting chamber via the outlet channel.
  • a passive inward pumping can be achieved only by changing the rotational frequency
  • Figure 1 is a schematic representation of a closed system with a gas-liquid mixture.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of a fluid handling device
  • Fig. 3 is a diagram for explaining the operation of the fluid handling device shown in Fig. 2;
  • FIG. 4 is a schematic plan view of fluidic structures of an alternative embodiment
  • a vapor diffusion barrier is understood to mean a device which reduces evaporation of a liquid into a gas compared to a case in which the diffusion barrier is absent, when the liquid and the gas are arranged in a fluidic system, the gas is trapped by the liquid in a non-vented fluidic structure.
  • the gas is in a space that is closed by mechanical structures and the liquid.
  • the fluidic structures on the side of the liquid away from the gas may be vented.
  • a vapor diffusion barrier may be formed by a geometric structure in the form of a capillary channel.
  • inward pumping herein is meant a transport of liquid in a tube. Tor or rotational body of a respect to a rotational axis radially outer position to a radially inner position understood.
  • Embodiments of the invention may be implemented in lab-on-a-chip systems wherein a vapor diffusion barrier is used to reduce the pressure in closed reaction spaces in which a liquid-gas mixture is located for temperature-controlled biochemical analysis methods.
  • Such methods may, for example, be methods such as Sanger Sequencing, Ligase Chain Reaction, DNA Restriction,, Enzymes Kinetic Monitoring, and in particular a PCR.
  • the fluidic operation of passive radial inward pumping at elevated temperatures is not limited, as a pressure increase in the trapped liquid-gas mixture can be reduced or avoided, which could otherwise lead to fluid loss , For example, by early venting or by delamination of a lidding film.
  • the controlled overpressure can be used selectively, for example, to pump an amplificate volume after the thermocycling to a further process module, for example a DNA array.
  • Embodiments of the present invention thus allow the performance of temperature-regulated, biochemical assays, the processing of elevated temperatures up to 99 ° C are necessary, with such a temperature increase leads to an increased pressure in the trapped volume of a liquid-gas mixture.
  • the invention makes it possible to reduce and regulate the existing pressure at such elevated temperatures in an enclosed volume through a passive diffusion barrier, so that the reaction spaces can be closed, for example, to avoid cross-contamination from the environment or parallel reactions. In this case, an increase in pressure, which can lead to delamination or uncontrolled ventilation in I, ab-on-a-chip systems, can be avoided. Venting the reaction space, in which by using a valve, the pressure could be regulated in principle, but with the risk of DNA contamination, is therefore not necessary.
  • Embodiments of the invention thus use a Dampfdi ffusionsbarriere to reduce pressure or pressure control.
  • Available systems use diffusion barriers, for example in the form of a capillary, only to reduce fluid losses, but not to reduce and regulate pressure or to switch fluid.
  • the capillary is not closed, so that there is a risk of leakage of molecules, for example of synthetic molecules.
  • Fig. La shows schematically a closed container 2a, in which a gas-liquid mixture is arranged.
  • Fig. 1b shows schematically a closed container 2b having a first container portion 3a and a second container portion 3b, between which a vapor diffusion barrier 4 is arranged in the form of a capillary channel.
  • Embodiments of the invention are based, as shown in FIG. 1b, on the spatial separation of the liquid and the gas through the vapor diffusion barrier, wherein the liquid is disposed in the container portion 3a and the gas is disposed in the container portion 3b.
  • the volume of the liquid is thus spatially separated from the volume of trapped gas, but there is a connection of the two volumes across the vapor diffusion barrier.
  • a vapor diffusion barrier in the form of a capillary prevents the propagation of the vapor, so that the equilibrium is reached only after a very long time, depending on the design of the capillary.
  • a capillary which acts as a vapor barrier, the diffusion length can be chosen very far.
  • the formation of steam in this case depends on the slow diffusion rate of the vapor along the capillary or vapor barrier.
  • a convective mass transport along a capillary can be neglected. From this Grand can be controlled by the choice of the cross-sectional area and the length of the capillary, the time course of the increase in the vapor content and thus the pressure increase in the entire volume.
  • gas gas designates the pressure which prevails in the gas when the vapor-liquid equilibrium is reached.
  • a water-air mixture is considered, which is located in a closed room. It is heated to 95 ° C. This temperature is used, for example, as Denaturierangstemperatur in a polymerase chain reaction (PCR). Assuming that the vapor pressure of water in the water-air mixture depends only on temperature, the air consists only of oxygen (0 2 ) and nitrogen ( 2 ) and both gases in the mixture can behave as ideal gases the effect of the diffusion barrier can be described as follows:
  • J is the material flow
  • A is the cross-sectional area of the capillary
  • D is the diffusion coefficient
  • the length L is included in the estimation via the concentration gradient ⁇ .
  • a vapor diffusion barrier may be used to reduce an evaporation rate in a closed system and thereby to reduce a pressure increase in a compression chamber upon heating of an air-liquid mixture disposed in the chamber.
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of fluidic structures of a fluid handling device.
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of fluidic structures of a fluid handling device.
  • FIG. 5 shows a device with a fluidic module 10 in the form of a rotational body, which has a substrate 12 and a cover 14.
  • the substrate 12 and the lid 14 may be circular in plan view, with a central opening through which the rotary body 10 may be attached via a conventional fastening means 16 to a rotating part 18 of a drive device.
  • the rotating part 18 is rotatably supported on a stationary part 22 of the drive device 20.
  • the drive device may be, for example, a conventional centrifuge with adjustable rotational speed or a CD or DVD drive.
  • a controller 24 may be provided which is configured to control the drive unit 20 to apply rotation to the rotary body 10 at different rotational frequencies.
  • controller 24 may be implemented by, for example, a suitably programmed computing device or custom integrated circuit.
  • the controller 24 may be further configured to control the drive device 20 upon manual inputs by a user to effect the required rotations of the rotating body. In either case, the controller 24 is configured to control the drive device 20 to apply the rotational body at the required rotational frequencies to implement the invention as described herein.
  • drive device 20 a conventional centrifuge with only one direction of rotation can be used.
  • the rotary body 10 has the required fluidic structures.
  • the required fluidic structures may be formed by cavities and channels in the lid 14, the substrate 12 or in the substrate 12 and the lid 14.
  • fluidic structures may be imaged in the substrate 12 while fill openings and vents are formed in the lid 14.
  • fluidic modules 32 are inserted into a rotor 30 and together with the rotor 30 form the rotary body 10.
  • the fluidic modules 32 can each have a substrate and a lid, in which corresponding fluidic structures can be formed ,
  • the through the rotor 30th and the fluid body module 32 formed rotational body 10 is in turn by a drive device 20 which is controlled by the control device 24, acted upon by a rotation.
  • the fluidic module or body having the fluidic structures may be formed of any suitable material, for example, a plastic such as PMMA (polymethylmethacrylate, polycarbonate, PVC, polyvinyl chloride) or PDMS (polydimethylsiloxane ) Glass or the like.
  • a plastic such as PMMA (polymethylmethacrylate, polycarbonate, PVC, polyvinyl chloride) or PDMS (polydimethylsiloxane ) Glass or the like.
  • the rotary body 10 may be considered as a centrifugal microfluidic platform.
  • a heating device 40 is shown, which is designed to heat at least portions of the rotational body 10 in FIG. 5 or the fluidic module 32 in FIG. 6, such that at least one first compression chamber portion and whose contents are heated.
  • the heating device 40 can be designed as an external heating device, for example jet heating, or can be integrated into the fluidic module or the drive device.
  • FIG 2 shows a plan view of a rotary body 50 having a rotation axis 52.
  • the rotational axis is in each case radial with respect to the center of rotation about which the fluidic module or the rotor is rotatable, that is to say in FIG
  • a radial direction is radially sloping away from the center of rotation, and a radial direction toward the center of rotation is radially increasing, and a fluid channel whose beginning is closer to the center of rotation than its end is thus radially sloping while a fluid channel whose beginning is farther from the center of rotation than the end of which is radially increasing.
  • Embodiments of the present invention may find particular application in the field of centrifugal micro-scrolling, which involves the processing of liquids in the nanoliter to milliliter range.
  • the fluidic structures can have suitable dimensions in the micrometer range for the corresponding liquid volumes.
  • the fluidic structures formed in a rotary body 50 have an inlet chamber 54, which can be vented via a vent opening 56.
  • the inlet chamber 54 is fluidly connected to a compression chamber 60 via an inlet channel 58.
  • the compression chamber 60 has a first compression chamber section 62, a second compression chamber section 64 and an intermediate compression chamber section 64. see Dampfdi ff usions Barriere 66 in the form of a capillary channel arranged on the first compression chamber section 62 and the second compression chamber section 64.
  • the structures 62, 64, and 66 form a compression chamber because a volume of gas trapped therein can be trapped and compressed by a liquid introduced into the first compression chamber portion 62 via the inlet chamber 54 and the inlet channel 58.
  • the first compression chamber section 62 is fluidically connected via a discharge channel 68 to a collecting chamber 70.
  • the collecting chamber 70 has a vent 72.
  • the inlet passage 58 is fluidly coupled to a valve outlet of the first compression chamber section 62.
  • the outlet channel 68 is also fluidly coupled to the fluid inlet of the first compression chamber section 62, wherein the inlet channel 58 and the outlet channel 68 have a common channel section.
  • the first compression chamber portion may include a separate fluid outlet to which the outlet channel is fluidically coupled.
  • the compression chamber is a non-vented chamber in embodiments to facilitate compression of the compressible medium.
  • the compression chamber with the exception of the fluid inlet or a plurality of fluid inlets, which are connected to inlet chambers and / or collecting chambers, no fluid openings.
  • the compression chamber may have additional fluid openings, but with respect to the gas in the compression chamber have such a high flow resistance that compression of the gas is possible and thus no venting of the compression chamber takes place in the sense of pressure equalization.
  • the compression chamber may have at least one additional fluid opening, which can be optionally closed, for example by a valve that can be actively actuated, so that in the closed state of the additional fluid opening, a gas in the compression chamber can be compressed.
  • the diffusion barrier is in the form of a capillary channel having a length that is at least 3, 5 or 10 times greater than the hydraulic diameter of the capillary channel.
  • the capillary channel may have a length which is at least 20 times greater than the hydraulic diameter of the capillary channel.
  • the volume of the second compression chamber portion 64 may be at least 5 times, 10 times or at least 20 times greater than the product of a cross-section and length of the capillary channel.
  • the collection chamber 70 is located radially further inward than the first compression chamber portion 62 so that liquid from the first compression chamber portion 62 can be pumped radially inward into the collection chamber 70 via a pumping height 80.
  • the capillary channel 66 may, for example, have a cross section of ⁇ x 1 ⁇ and separates a disposed in the second compression chamber section 64 gas volume of a arranged in the first compression chamber section 62 liquid volume.
  • the volume of liquid disposed in the second compression chamber portion is thereby heated by means of the heater, which is also shown schematically in phantom in Fig. 2, to effect, for example, a biochemical reaction (e.g., a PCR reaction) in the liquid phase.
  • the second compression chamber portion 62 may therefore also be referred to as a reaction chamber.
  • the fluidics shown in FIG. 2 provide a pneumatic pumping structure that allows radial inward pumping in combination with a diffusion pressure barrier.
  • liquid is introduced into the engagement chamber 54, which can be done for example via the vent opening 56. This can be done at room temperature.
  • the sample liquid at room temperature of, for example, 25 ° C is forced by centrifugal force from the inlet chamber 54 through the inlet channel 58 into the compression chamber 60, in particular the first compression chamber portion 62, and the outlet channel.
  • gas arranged in the second compression chamber section 64 for example air, which represents a compressible medium, is compressed.
  • an overpressure p is generated in the gas, as shown in phase 1 in FIG.
  • the increase in the rotational frequency can take place, for example, with an acceleration of 10 Hz / s.
  • the rotational frequency is kept constant, with the liquid levels in the inlet channel 58, the compression chamber 60 and the outlet channel 68 assuming an equilibrium position, while the gas in the second compression Chamber section 64 is still compressed.
  • the constant rotational frequency can be 35 Hz.
  • the temperatures are cycled using the heater, for example between 50 ° C and max. 99 ° C, as shown in Fig. 3.
  • the excess pressure between the compression chamber 60 and the ambient pressure in this case the atmospheric pressure, is reduced by an overall low formation of steam, so that the fluidic functionality can be ensured.
  • the low vapor formation is achieved by the vapor diffusion barrier 66, wherein in phase 2 schematically diffusing vapor molecules in an enlarged portion of the interface between liquid in the first compression chamber portion 62 and gas in the diffusion barrier 60 are shown.
  • the outlet channel 68 and the inlet channel 58 are designed such that the flow resistance of the outlet channel 68 for a liquid flow from the compression chamber 60 to the collection chamber 70 is less than a flow resistance of the inlet channel 58 for a liquid flow from the compression chamber 60 to the inlet chamber 54
  • the liquid escapes from the second compression chamber section 62 through the outlet channel 68 into the catch chamber 70, as shown by phase 3 in FIG.
  • the rotation frequency is lowered to 10 Hz.
  • the lower rotational frequency may also become zero or assume negative values (reverse rotational direction).
  • the temperature of discharging the liquid into the catching chamber which is 70 ° in the example shown, may be selected in a range from room temperature to 99 ° C. In addition, temperatures below room temperature are possible, because then the pressure is reduced.
  • the implementation outlined in these embodiments may be implemented monolithically. It has been shown that, under the conditions described above, after a PCR thermocycling of a 40 ⁇ sample, more than 90% can be pumped radially inwards over a pump height of 30 mm within one second.
  • FIG. 4 shows fluidic structures of an alternative embodiment which includes a compression chamber 60 'having a first compression chamber portion 62' and a second compression chamber portion 62 ' Compression chamber section 64% have an inlet channel 58 'and a diffusion barrier 66' in the form of a fluid channel.
  • the first compression chamber portion 62 ' has a valve 90 which may be open during a case of zero action to achieve pressure equalization and then closed.
  • the inlet (inlet channel 58 ') of the reaction chamber (compression chamber 60') can also have a valve 92 which is open during filling and can subsequently be closed.
  • one of the compression chamber sections has a valve which can be selectively opened during the Befiilvorgangs or even during heating to produce a pressure equalization.
  • the valve can be closed.
  • a pressure increase due to evaporation across the vapor diffusion barrier is reduced.
  • the heater may be configured in embodiments of the invention to locally heat the first compression chamber portion and the liquid disposed therein.
  • the insulating means may also be configured to globally heat the entire rotary body or the entire fluidic module.
  • exemplary embodiments of the invention allow a simple construction, since no specific etching device is required for heating only a part of the rotary body or of the fluidic module.
  • the heater may be a global heater configured to heat the entire rotary body by heating the rotary part of the drive device to which the rotary body is attached.
  • Embodiments of the present invention thus provide a passive method of reducing and regulating a pressure increase through vapor formation in an enclosed volume of gas.
  • Embodiments of the invention can be used for completely closed systems and also for partially ventilated systems in which fluid structures associated with the liquid, but not with the enclosed gas, are vented.
  • a vapor diffusion barrier is used for the first time to reduce or minimize the total pressure in a completely or partially closed system with gas-liquid mixture by reducing the formation of steam at elevated temperatures up to 99 ° C.
  • the pressure can be regulated.
  • the use of vapor diffusion barriers to reduce the pressure in closed systems is not known in the prior art.
  • embodiments of the invention provide geometric structures and methods that reduce the overall pressure globally in a closed or locally partially closed system liquid-gas mixture by using a vapor diffusion barrier.
  • Embodiments provide geometric structures and methods in which the pressure can be regulated by selecting the geometric parameters of the diffusion barrier.
  • the present invention can be used everywhere, where a gas / liquid mixture is exposed during a temperature treatment to a pressure and an additional pressure due to evaporation of the liquid is to be reduced in the gas.

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Abstract

A fluid handling apparatus has a compression chamber with a first compression chamber portion and a second compression chamber portion, wherein the first compression chamber portion has a fluid inlet, by way of which a liquid can be introduced into the compression chamber. A vapour diffusion barrier is provided between the first compression chamber portion and the second compression chamber portion. A heating device is designed to heat at least the first compression chamber portion and the content thereof. The vapour diffusion barrier is designed at least to reduce a rate of evaporation of a liquid arranged in the first compression chamber portion into a gas arranged in the second compression chamber portion during heating of the first compression chamber portion and the content thereof, and thereby to reduce an increase in pressure in the compression chamber.

Description

Fluidhandhabungsvorrichtung und Verfahren zum Prozessieren einer Flüssigkeit unter Verwendung einer Diffusionsbarriere  Fluid handling device and method for processing a fluid using a diffusion barrier
Beschreibung description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fluidhandhabungsvorrichtung und ein Verfahren zum Prozessieren einer Flüssigkeit, bei denen eine in einer Kompressionskammer angeordnete Flüssigkeit zum Prozessieren derselben erwärmt wird. The present invention relates to a fluid handling apparatus and method for processing a fluid in which a liquid disposed in a compression chamber is heated to process the same.
Solche Vorrichtungen und Verfahren können insbesondere bei biochemischen Verfahren, wie temperaturgeregelten, biochemischen Analyseverfahren (z.B. solchen, die als Sanger Sequencing, Ligase Chain Reaction, DNA-Restriktion, S nger Sequencing, Enzyme Ki- netic Monitoring bekannt sind), und insbesondere einer PCR (Polymerase-Chain-Reaction) eingesetzt werden. Such devices and methods can be used in particular in biochemical methods, such as temperature-controlled, biochemical analysis methods (eg, those known as Sanger Sequencing, Ligase Chain Reaction, DNA Restriction, S nger Sequencing, Enzyme Kinetic Monitoring), and in particular a PCR ( Polymerase chain reaction) can be used.
Bei biochemischen Verfahren ist es bisher in vielen Fällen notwendig, den Reaktionsraum mit einem Ventil zu entlüften, um einen erhöhten Überdruck, insbesondere bei maximalen Prozesstemperaturen bis zu 99°C, zu verhindern und das sich ausdehnende Luft-Gas- Gemisch entweichen zu lassen. Insbesondere bei DN A-ampli fizierenden Verfahren steigt hier grundsätzlich die Gefahr einer DNA-Kontamination der Umgebung, da amplifizierte DNA-Fragmente in enormen Kopienzahlen (» 1 Milliarde DNA-Fragmente) vorhanden sind und durch Ventile in die Laborumgebung entweichen können. In many cases it has been necessary in biochemical processes to vent the reaction space with a valve in order to prevent increased overpressure, in particular at maximum process temperatures of up to 99 ° C., and to allow the expanding air-gas mixture to escape. In particular, in DN A-ampli fizierenden method increases in principle the risk of DNA contamination of the environment, since amplified DNA fragments in enormous copy numbers (»1 billion DNA fragments) are present and can escape through valves in the laboratory environment.
Durch komplett geschlossene Systeme könnte ein solches Entweichen per se verhindert werden. Erhöhte Temperaturen können dann allerdings vor allem durch die Generierung von Wasserdampf zu einem enormen Druckanstieg führen. Der dadurch bewirkte Überdruck kann zum Funktionsverlust fluidischer Operationen, beispielsweise einem frühzeitigen Schalten eines Ventils, und somit zum Komplettaus fall der gesamten Fluidik führen. In extremen Fällen kann der Überdruck aber auch zu Materialbrüchen einer Reaktionskammer oder zur Delamination einer Deckelfolie führen oder es bedarf der Anwendung eines Gegendrucks durch aktive externe Elemente, wie z.B. Presselemente. Damit ist die Gefahr einer DNA-Kontamination in einem geschlossen System aufgrund des erzeugten Überdrucks ebenfalls erhöht. By completely closed systems, such an escape per se could be prevented. However, elevated temperatures can lead to an enormous increase in pressure, primarily due to the generation of water vapor. The overpressure caused thereby can lead to a loss of fluidic operation, for example an early switching of a valve, and thus to the complete failure of the entire fluidic system. In extreme cases, however, the overpressure may also lead to material breaks in a reaction chamber or to the delamination of a cover film, or it may be necessary to apply a counterpressure by means of active external elements, such as e.g. Press members. Thus, the risk of DNA contamination in a closed system is also increased due to the generated overpressure.
Zehnle et al. "Centrifugo-dynamic inward pumping of liquids on a centrifugal microiluidic platform", Lab Chip, 2012, 1 2. S. 5142-5145, beschreiben ein teilweise geschlossenes mik- ro fluidisches System, bei dem aus einer Einlasskammer Flüssigkeit durch Zentrifugalkraft in eine Kompressionskammer eingebracht wird, so dass in der Kompressionskammer befindliches Gas komprimiert wird. Anschließend wird die Rotationsgeschwindigkeit gesenkt, so dass sich das Gas ausdehnt, wodurch Flüssigkeit aus der Kompressionskammer über einen Auslasskanal in eine Sammelkammer radial einwärts gepumpt werden kann. Zehnle et al. "Centrifugal-dynamic Inward Pumping of Liquids on a Centrifugal Microilucid Platform", Lab Chip, 2012, 1 pp. 5142-5145, describe a partially closed micro fluidic system in which fluid from an inlet chamber is caused by centrifugal force is introduced into a compression chamber, so that in the compression chamber befindliches gas is compressed. Subsequently, the rotational speed is lowered so that the gas expands, whereby liquid from the compression chamber can be pumped radially inwardly via an outlet channel into a collection chamber.
Wang et al "Microfabricated valveless deviees for thermal bioreactions based on diffu- sion-limited evaporation", Lab on a Chip, 8, S. 88-97, 2007, und Zhang et al "Decreasing microfiuidic evaporation loss using the HMDL method: open Systems for nucleic acid amplification and analysis", Microfluid Nano fluid, 9, S. 17-30, 2010, beschreiben eine Diffusionsbarriere, die dafür verwendet wird, Flüssigkeitsverluste bei erhöhten Temperaturen zu minimieren. Um Flüssigkeitsverluste durch Verdampfung zu minimieren, werden lange schmale Diffusionskanäle verwendet, um eine diffusionsbcgrenzte Verdampfung zu erreichen. Wang et al "Microfabricated valveless deviees for thermal bioreactions based on diffusion-limited evaporation", Lab on a Chip, 8, pp. 88-97, 2007, and Zhang et al "Decreasing microfluidic evaporation loss using the HMDL method: open Systems for nucleic acid amplification and analysis ", Microfluid Nano fluid, 9, p. 17-30, 2010, describe a diffusion barrier used to minimize fluid losses at elevated temperatures. To minimize liquid loss through evaporation, long narrow diffusion channels are used to achieve diffusion-limited evaporation.
Die US 812,893 B2 beschreibt die Verwendung eines Überdrucks aufgrund einer Temperaturerhöhung zum Schalten von Flüssigkeiten mittels einer thermischen Kontrolle. Durch lokales Aufheizen wird Luft ausgedehnt und damit werden Flüssigkeiten weitertransportiert. US 812,893 B2 describes the use of an overpressure due to a temperature increase for switching liquids by means of a thermal control. By locally heating air is expanded and thus liquids are transported on.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Fluidhandhabungsvorrichtung und ein Verfahren zum Prozessieren einer Flüssigkeit zu schaffen, die eine Druckreduzierung ermöglichen, um fluidische Einheitsoperationen, wie beispielsweise ein Einwärtspumpen, auch bei erhöhten Temperaturen realisieren zu können. The object underlying the present invention is to provide a fluid handling device and a method for processing a fluid, which allow pressure reduction in order to realize unitary fluid operations, such as in-pumping, even at elevated temperatures.
Diese Aufgabe wird durch eine Fluidhandhabungsvorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 13 gelöst. This object is achieved by a fluid handling device according to claim 1 and a method according to claim 13.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine Fluidhandhabungsvorrichtung, mit folgenden Merkmalen: einer Kompressionskammer mit einem ersten Kompressionskammerabschnitt und einem zweiten Kompressionskammerabschnitt, wobei der erste Kompressionskammerabschnitt einen Fluideinlass aufweist, über den eine Flüssigkeit in die Kompressionskammer einbringbar ist; einer Dampfdiffiisionsbarriere zwischen dem ersten Kompressionskammerabschnitt und dem zweiten Kompressionskammerabschnitt; und einer Heizeinrichtung, die ausgelegt ist, um zumindest den ersten Kompressionskammerabschnitt und dessen Inhalt zu erwärmen, wobei die Dampfdi ffusionsbarriere ausgelegt ist, um bei einer Erwärmung des ersten Kompressionskammerabschnitts und dessen Inhalts eine Verdampfungsrate einer in dem ersten Kompressi onskammerabschni tt angeordneten Flüssigkeit in ein in dem zweiten Kompressionskammerabschnitt angeordnetes Gas zumindest zu reduzieren und somit einen Druckanstieg in der Kompressionskammer zu reduzieren. Embodiments of the invention provide a fluid handling device comprising: a compression chamber having a first compression chamber portion and a second compression chamber portion, the first compression chamber portion having a fluid inlet through which a fluid is insertable into the compression chamber; a vapor diffusion barrier between the first compression chamber portion and the second compression chamber portion; and a heater configured to heat at least the first compression chamber portion and the contents thereof, wherein the steam diffusion barrier is configured to heat an evaporating rate of a liquid disposed in the first compression chamber portion to a temperature at which the first compression chamber portion and its contents heat up At least reduce second compression chamber portion arranged gas and thus to reduce a pressure increase in the compression chamber.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen ein Verfahren zum Prozessieren einer Flüssigkeit mit folgenden Merkmalen: Embodiments of the invention provide a method for processing a liquid having the following features:
Einbringen einer Flüssigkeit durch einen Fluideinlass in einen ersten Kompressionskammerabschnitt einer Kompressionskammer, die den ersten Kompressionskammerabschnitt und einen zweiten Kompressionskammerabschnitt aufweist; Introducing a liquid through a fluid inlet into a first compression chamber portion of a compression chamber having the first compression chamber portion and a second compression chamber portion;
Prozessieren der Flüssigkeit in dem ersten Kompressionskammerabschnitt, wobei das Prozessieren ein Erwärmen zumindest der in dem ersten Kompressionskammerabschnitt angeordneten Flüssigkeit aufweist, wobei eine Dampfdiffusionsbarriere zwischen dem Kompressionskammerabschnitt und dem zweiten Kompressionskammerabschnitt angeordnet ist, so dass bei dem Erwärmen eine Verdampfungsrate der in dem ersten Kompressionskammerabschnitt angeordneten Flüssigkeit in das in dem zweiten Kompressionskammerabschnitt angeordnete Gas zumindest reduziert und somit ein Druckanstieg in der Kompressionskammer reduziert wird. Processing the liquid in the first compression chamber portion, wherein the processing comprises heating at least the liquid disposed in the first compression chamber portion, wherein a vapor diffusion barrier is disposed between the compression chamber portion and the second compression chamber portion, such that when heated, an evaporation rate of the liquid disposed in the first compression chamber portion is at least reduced in the arranged in the second compression chamber section gas and thus a pressure increase in the compression chamber is reduced.
Ausführungsbeispiele der Erfindung basieren auf der Erkenntnis, dass durch eine Trennung eines Flüssigkeitsvolumens von einem eingeschlossenen Gasvolumen in einer Kompressionskammer durch eine Diffusionsbarriere der Gesamtdruck für die Dauer einer Prozessierung (beispielsweise entsprechend eines Prozessierungsprotokolls) erheblich reduziert werden kann, da die Gesamtmenge an entstandenem Wasserdampf reduziert bzw. minimiert werden kann. Die Dampfdiffusionsbarriere stellt eine Möglichkeit dar, den Gesamtdruck in einem geschlossenen Reaktionsraum zu reduzieren bzw. regulieren. Durch die Reduzierung und Kontrolle des Gesamtdrucks kann ein komplett geschlossenes System realisiert werden, dessen Funktion nicht durch die erhöhten Temperaturen beeinträchtigt wird und bei dem keine externen Elemente notwendig sind, um einen Gegendruck aufzubauen. Bei Ausführungsbeispielen ist die Kompressionskammer nicht entlüftet, wobei die Flüssigkeit über den Fluideinlass in die Kompressionskammer einbringbar ist, um ein in der Kompressionskammer eingeschlossenes Gasvolumen zu komprimieren. Embodiments of the invention are based on the recognition that by separating a liquid volume from an enclosed gas volume in a compression chamber by a diffusion barrier, the total pressure for the duration of a processing (for example, according to a processing protocol) can be significantly reduced because the total amount of water vapor produced is reduced or reduced can be minimized. The vapor diffusion barrier is one way to reduce or regulate the total pressure in a closed reaction space. By reducing and controlling the total pressure, a completely closed system can be realized whose function is not affected by the elevated temperatures and in which no external elements are necessary to build up a back pressure. In embodiments, the compression chamber is not vented, wherein the fluid is introduced into the compression chamber via the fluid inlet to compress a volume of gas trapped in the compression chamber.
Bei Ausführungsbeispielen ist einer der Kompressionskammerabschnitte mit einem Ventil versehen, das wahlweise geöffnet werden kann, um eine Entlüftung der Kompressionskammer zu ermöglichen, oder geschlossen werden kann, um eine Entlüftung der Kompressionskammer zu verhindern. Ausführungsbeispiele können eine Steuereinrichtung aufweisen, die ausgelegt ist, um während des Einbringens der Flüssigkeit das Ventil zu öffnen, um einen Druckausgleich in der Kompressionskammer herzustellen, und nach dem Einbringen der Flüssigkeit oder nach dem Einbringen der Flüssigkeit und der zumindest teilweisen Erwärmung der Flüssigkeit das Ventil zu schließen, um nachfolgend bei geschlossenem Ventil während Phasen mit erhöhter Temperatur einen durch Verdampfung bedingten Druckanstieg in der Kompressionskammer durch die Diffüsionsbarriere zu reduzieren. In embodiments, one of the compression chamber sections is provided with a valve which can be selectively opened to allow venting of the compression chamber or closed to prevent venting of the compression chamber. Embodiments may include a controller configured to open the valve during introduction of the liquid to establish pressure equalization in the compression chamber, and after insertion of the liquid or after introduction of the liquid and at least partial heating of the liquid, the valve in order to subsequently reduce, with the valve closed, during periods of elevated temperature, an increase in pressure in the compression chamber caused by evaporation through the diffusion barrier.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weist die Dampfdiffusionsbarriere einen kapillaren Kanal auf, der den ersten Kompressionskammerabschnitt mit dem zweiten Kompressionskammerabschnitt fluidisch verbindet. Somit kann der Gesamtdruck in dem geschlossenen System, d.h. der nicht entlüfteten Kompressionskammer, durch Wahl von geometrischen Parametern, beispielsweise Kanalquerschnitt oder Kanallänge des kapillaren Kanals, reguliert werden. In embodiments of the invention, the vapor diffusion barrier has a capillary channel fluidly connecting the first compression chamber portion to the second compression chamber portion. Thus, the total pressure in the closed system, i. the non-vented compression chamber, by the choice of geometric parameters, such as channel cross-section or channel length of the capillary channel, are regulated.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weist der kapillare Kanal eine Länge auf, die zumindest 3-mal, 5-mal oder 10-mal größer ist als der hydraulische Durchmesser des kapillaren Kanals und/oder bei der das Volumen des zweiten Kompressionskammerabschnitts mindestens 5-mal, 10-mal oder 20-mal größer als das Produkt aus Querschnitt und Länge des kapillaren Kanals ist. Der hydraulische Durchmesser Dh ist dabei als Dh = 4*A/U definiert, wobei A die durchströmte Querschnittfläche und U der Umfang der durchströmten Querschnittfläche ist. Dadurch ist auf vorteilhafte Weise eine ausreichende Reduzierung der Verdampfungsrate und somit des Druckanstiegs in der Kompressionskammer implementierbar. In embodiments of the invention, the capillary channel has a length which is at least 3 times, 5 times or 10 times greater than the hydraulic diameter of the capillary channel and / or in which the volume of the second compression chamber portion at least 5 times 10 times or 20 times larger than the product of cross section and length of the capillary channel. The hydraulic diameter Dh is defined as Dh = 4 * A / U, where A is the cross-sectional area through which flows and U is the circumference of the cross-sectional area through which flows. As a result, a sufficient reduction of the evaporation rate and thus of the pressure increase in the compression chamber can be advantageously implemented.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen weist die Dampfdiffusionsbarriere eine gasdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige Membran auf, die den ersten Kompressionskammerabschnitt und den zweiten Kompressionskammerabschnitt voneinander trennt. Bei solchen Ausführungsbeispielen ist ein kapillarer Kanal zwischen zwei Kompressionskammerabschnitten nicht notwendig. Alternati kann eine Dampfdiffusionsbarriere auch durch eine Kombination aus einem kapillaren Kanal und einer gasdurchlässigen und flüssigkeitsundurchlässigen Membran implementiert werden. In alternative embodiments, the vapor diffusion barrier comprises a gas-permeable and liquid-impermeable membrane that separates the first compression chamber portion and the second compression chamber portion. In such embodiments, a capillary channel between two compression chamber sections is not necessary. Alternati can also be a vapor diffusion barrier a combination of a capillary channel and a gas permeable and liquid impermeable membrane may be implemented.
Bei Ausfuhrungsbeispielen der Erfindung weist die Fluidhandhabungsvorrichtung femer eine Auffangkammer auf, die über einen Auslassfluidkanal mit der Kompressionskammer fluidisch verbunden ist, wobei der Auslassfluidkanal einen Auslassfluidkanaleinlass, der in die Kompressionskammer mündet und der radial weiter außen angeordnet ist als ein Aus- lassfluidkanalauslass des Auslassfluidkanals, der in die Auffangkammer mündet, wobei Flüssigkeit aus dem ersten Kompressionskammerabschnitt durch Ausdehnen des in der Kompressionskammer angeordneten Gases durch den Auslassfluidkanal in die Auffangkammer treibbar ist. Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen somit ein passives Einwärtspumpen, beispielsweise durch ein Ausdehnen des in der Kompressionskammer angeordneten Gases, das beispielsweise durch ein Absenken einer Rotationsgeschwindigkeit oder ein Erwärmen des Gases erreicht werden kann. In embodiments of the invention, the fluid handling device further includes a collection chamber fluidly connected to the compression chamber via an outlet fluid channel, the outlet fluid channel having an outlet fluid channel inlet opening into the compression chamber and located radially outward than an outlet fluid channel outlet of the outlet fluid channel flows into the catch chamber, wherein liquid from the first compression chamber portion is drivable by expanding the gas arranged in the compression chamber through the Auslassfluidkanal into the catch chamber. Embodiments of the invention thus allow passive inward pumping, for example by expanding the gas located in the compression chamber, which can be achieved, for example, by lowering a rotational speed or heating the gas.
Bei Ausführungsbeispielen ist der Fiuideinlass mit einer Einlasskammer fluidisch verbunden ist, wobei die Kompressionskammer und die Einlasskammer in einem Rotationskörper oder einem Fluidikmodul, das in einen Rotationskörper einsetzbar ist, gebildet sind, so dass durch Rotation des Rotationskörpers die Flüssigkeit durch Zentrifugalkraft aus der Einlasskammer in den ersten Kompressionskammerabschnitt einbringbar ist. In embodiments, the fluid inlet is fluidically connected to an inlet chamber, wherein the compression chamber and the inlet chamber are formed in a rotary body or a fluidic module that is insertable into a rotary body, so that by rotation of the rotary body, the liquid by centrifugal force from the inlet chamber into the first compression chamber section can be introduced.
Bei alternativen Ausfuhrungsbeispielen können die entsprechenden Fluidikstrukturen in einem nicht zentrifugalen System implementiert sein, beispielsweise einem auf Gravitationskraft basierenden System oder einem druckgetriebenen System. In alternative embodiments, the corresponding fluidic structures may be implemented in a non-centrifugal system, such as a gravitational force-based system or a pressure-driven system.
Bei solchen Ausfuhrungsbeispielen kann ein Verhältnis zwischen einem Strömungswiderstand des Auslassfluidkanals für einen Flüssigkeitsfluss von der Kompressionskammer zu der Auffangkammer und einem Strömungswiderstand eines Einlassfluidkanals zwischen der Kompressionskammer und der Einlasskammer für einen Flüssigkeitsfluss von der Kompressionskammer zu der Einlasskammer eingestellt sein, um ein bestimmtes Verhältnis zwischen einem Volumenfluss in die Auffangkammer und einem Volumenfluss in die Einlasskammer einzustellen. Bei Ausführungsbeispielen kann der entsprechende Strömungswiderstand des Auslassfluidkanals kleiner sein als der entsprechende Strömungswiderstand des Einlassfluidkanals, so dass ein gezieltes Entleeren der Flüssigkeit aus der Kompressionskammer in die Auffangkammer bewirkt werden kann. Bei Ausfuhrungsbeispielen können auch gleiche oder größere Strömungswiderstände des Auslassfluidkanals gewählt werden, um verschiedene Volumina beispielsweise aus einer Voramplifikation bei einem gegebenen Abbremsen abzumessen Bei Ausführungsbeispielen weist die Fluidhandhabungsvorrichtung ferner eine Antriebseinrichtung auf, die ausgelegt ist, um die Fluidhandhabungsvorrichtung mit einer Rotation zu beaufschlagen. Die Antriebseinrichtung kann ausgelegt sein, um in einer ersten Phase den Rotationskörper mit einer solchen Drehfrequenz zu beaufschlagen, dass das Gas in der Kompressionskammer durch die eingebrachte Flüssigkeit komprimiert wird, und in einer zweiten Phase, nach einer Temperaturbehandlung der Flüssigkeit, die Drehfrequenz zu verringern, um zumindest Teile der Flüssigkeit über den Auslasskanal aus der Kompressionskammer in die Auffangkammer zu treiben. Somit kann ein passives Einwärtspumpen lediglich unter Veränderung der Rotationsfrequenz erreicht werden, In such embodiments, a ratio between flow resistance of the outlet fluid channel for fluid flow from the compression chamber to the collection chamber and flow resistance of an inlet fluid channel between the compression chamber and the inlet chamber for fluid flow from the compression chamber to the inlet chamber may be adjusted by a particular ratio between volume flow into the collecting chamber and a volume flow into the inlet chamber. In embodiments, the corresponding flow resistance of the Auslassfluidkanals may be smaller than the corresponding flow resistance of the inlet fluid channel, so that a targeted emptying of the liquid from the compression chamber can be effected in the collecting chamber. In exemplary embodiments, equal or greater flow resistances of the outlet fluid channel can also be selected in order to meter different volumes, for example from a pre-amplification, given a given deceleration In embodiments, the fluid handling device further includes a drive device configured to apply rotation to the fluid handling device. The drive device can be designed in such a way that, in a first phase, the rotational body is subjected to a rotation frequency such that the gas in the compression chamber is compressed by the introduced liquid, and in a second phase, after a temperature treatment of the fluid, to reduce the rotational frequency, in order to drive at least parts of the liquid out of the compression chamber into the collecting chamber via the outlet channel. Thus, a passive inward pumping can be achieved only by changing the rotational frequency,
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Embodiments of the present invention will be explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines geschlossenen Systems mit einem Gas- Flüssigkeits-Gemisch; Figure 1 is a schematic representation of a closed system with a gas-liquid mixture.
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine Fluidhandhabungsvorrichtung; FIG. 2 is a schematic plan view of a fluid handling device; FIG.
Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Betriebs der in Fig. 2 gezeigten Fluidhandhabungsvorrichtung; Fig. 3 is a diagram for explaining the operation of the fluid handling device shown in Fig. 2;
Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf Fluidikstrukturen eines alternativen Ausführungsbeispiels; und FIG. 4 is a schematic plan view of fluidic structures of an alternative embodiment; FIG. and
Fig. 5 und 6 schematische Seitenansichten zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Vorrichtungen, 5 and 6 are schematic side views for explaining embodiments of inventive devices,
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter einer Dampfdiffusionsbarriere eine Einrichtung verstanden, die eine Verdampfung einer Flüssigkeit in ein Gas verglichen mit einem Fall, in dem die Diffusionsbarriere nicht vorhanden ist, reduziert, wenn die Flüssigkeit und das Gas derart in einem fluidischen System angeordnet sind, dass das Gas durch die Flüssigkeit in einer nicht entlüfteten Fluidikstruktur eingeschlossen ist. Anders ausgedrückt befindet sich das Gas in einem Raum, der durch mechanische Strukturen und die Flüssigkeit geschlossen ist. Die Fluidikstrukturen auf der von dem Gas abgewandten Seite der Flüssigkeit können entlüftet sein. Bei Ausführungsbeispielen kann eine Dampfdiffusionsbarriere durch eine geometrische Struktur in Form eines kapillaren Kanals gebildet sein. Unter einem Einwärtspumpen wird hierin ein Transport von Flüssigkeit in einem Ro- tor bzw. Rotationskörper von einer bezüglich einer Rotationsachse radial äußeren Position zu einer radial inneren Position verstanden. In the context of the present application, a vapor diffusion barrier is understood to mean a device which reduces evaporation of a liquid into a gas compared to a case in which the diffusion barrier is absent, when the liquid and the gas are arranged in a fluidic system, the gas is trapped by the liquid in a non-vented fluidic structure. In other words, the gas is in a space that is closed by mechanical structures and the liquid. The fluidic structures on the side of the liquid away from the gas may be vented. In embodiments, a vapor diffusion barrier may be formed by a geometric structure in the form of a capillary channel. By inward pumping, herein is meant a transport of liquid in a tube. Tor or rotational body of a respect to a rotational axis radially outer position to a radially inner position understood.
Ausführungsbeispiele der Erfindung können in Lab-on-a-Chip-Systemen implementiert sein, wobei zur Reduzierung des Drucks in geschlossenen Reaktionsräumen, in denen sich ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch befindet, für temperaturgeregelte, biochemische Analyseverfahren eine Dampfdiffusionsbarriere eingesetzt wird. Bei solchen Verfahren kann es sich beispielsweise um Verfahren wie Sanger Sequencing, Ligase Chain Reaction, DNA- Restriktion, , Enzyme Kinetic Monitoring, und in insbesondere eine PCR handeln. Embodiments of the invention may be implemented in lab-on-a-chip systems wherein a vapor diffusion barrier is used to reduce the pressure in closed reaction spaces in which a liquid-gas mixture is located for temperature-controlled biochemical analysis methods. Such methods may, for example, be methods such as Sanger Sequencing, Ligase Chain Reaction, DNA Restriction,, Enzymes Kinetic Monitoring, and in particular a PCR.
Wie die nachfolgenden Ausführungen zeigen werden, ist bei Ausführungsbeispielen der Erfindung die fluidische Operation eines passiven radialen Einwärtspumpens bei erhöhten Temperaturen nicht eingeschränkt, da ein Druckanstieg im eingeschlossenen Flüssigkeits- Gas-Gemisch reduziert bzw. vermieden werden kann, der andernfalls zum Funktionsverlust der Fluidik fuhren könnte, beispielsweise durch eine frühzeitige Entlüftung oder durch eine Delamination einer Deckelfolie. As will be shown below, in embodiments of the invention, the fluidic operation of passive radial inward pumping at elevated temperatures is not limited, as a pressure increase in the trapped liquid-gas mixture can be reduced or avoided, which could otherwise lead to fluid loss , For example, by early venting or by delamination of a lidding film.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der kontrollierte Überdruck gezielt genutzt werden, um beispielsweise ein Amplifikatsvolumen nach dem Thermocycling zu einem weiteren Prozessmodul, beispielsweise einem DNA-Array, zu pumpen. In embodiments of the invention, the controlled overpressure can be used selectively, for example, to pump an amplificate volume after the thermocycling to a further process module, for example a DNA array.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen somit die Durchführung temperaturregulierter, biochemischer Assays, zu deren Prozessierung erhöhte Temperaturen bis zu 99°C notwendig sind, wobei ein solcher Temperaturanstieg zu einem erhöhten Druck im eingeschlossenen Volumen eines Flüssigkeits-Gas-Gemisches führt. Die Erfindung ermöglicht es, den bestehenden Druck bei solchen erhöhten Temperaturen in einem eingeschlossenen Volumen durch eine passive Diffusionsbarriere zu reduzieren und zu regulieren, so dass die Reaktionsräume geschlossen sein können, um beispielsweise Kreuzkontaminationen aus der Umgebung oder parallelen Reaktionen zu vermeiden. Dabei kann ein Druckanstieg, der bei I ,ab-on-a-Chip- Systemen zu einer Delamination oder eine unkontrollierten Belüftung führen kann, vermieden werden. Ein Entlüften des Reaktionsraums, bei dem durch Einsatz eines Ventils der Druck grundsätzlich reguliert werden könnte, allerdings mit der Gefahr einer DNA-Kontamination, ist somit nicht notwendig. Embodiments of the present invention thus allow the performance of temperature-regulated, biochemical assays, the processing of elevated temperatures up to 99 ° C are necessary, with such a temperature increase leads to an increased pressure in the trapped volume of a liquid-gas mixture. The invention makes it possible to reduce and regulate the existing pressure at such elevated temperatures in an enclosed volume through a passive diffusion barrier, so that the reaction spaces can be closed, for example, to avoid cross-contamination from the environment or parallel reactions. In this case, an increase in pressure, which can lead to delamination or uncontrolled ventilation in I, ab-on-a-chip systems, can be avoided. Venting the reaction space, in which by using a valve, the pressure could be regulated in principle, but with the risk of DNA contamination, is therefore not necessary.
Ausführungsbeispiele der Erfindung nutzen somit eine Dampfdi ffusionsbarriere zur Druckreduzierung bzw. Druckregelung. Verfügbare Systeme nutzen D i f fusionsbarri eren beispielsweise in Form einer Kapillare nur, um Flüssigkeitsverluste zu verringern, nicht aber zur Reduzierung und Regulierimg eines Drucks oder zum Schalten von Flüssigkeiten. Des Weiteren ist bei bekannten Systemen die Kapillare nicht geschlossen, so dass eine Aus- trittsgefahr von Molekülen, beispielsweise von synthetischen Molekülen, besteht. Embodiments of the invention thus use a Dampfdi ffusionsbarriere to reduce pressure or pressure control. Available systems use diffusion barriers, for example in the form of a capillary, only to reduce fluid losses, but not to reduce and regulate pressure or to switch fluid. Of Furthermore, in known systems, the capillary is not closed, so that there is a risk of leakage of molecules, for example of synthetic molecules.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist keine Verwendung von Diaphragmen oder Phase- Wechsel-Ventilen (integriert oder mit aktiven externen Elementen) notwendig. Somit kann eine mit der Verwendung solcher Mittel einhergehende Verkomplizierung desIn embodiments of the invention, no use of diaphragms or phase change valves (integrated or with active external elements) is necessary. Thus, an associated with the use of such means complication of the
Hersteilungsprozesses, die dadurch auftritt, dass verschiedene Materialien oder Materiallagen verbunden werden müssen, vermieden werden. Femer sind keine externen Druckquellen erforderlich, die entweder den Dampfdruck der Flüssigkeit verringern oder für die Schaltung von Phase- Wechsel-Ventilen sorgen, so dass auch aus diesem Grund der Herstellungsaufwand einer Lab-on-a-Chip- Kartusche und die Komplexität eines entsprechend benötigten Prozessierangsgeräts reduziert sein können. Auch sind Elektroden für die Erzeugung von Blasen erfindungsgemäß nicht notwendig. Hersteilungsprozesses, which occurs by the fact that different materials or layers of material must be connected, can be avoided. Furthermore, no external pressure sources are required, which either reduce the vapor pressure of the liquid or provide for the switching of phase change valves, so also for this reason the production cost of a lab-on-a-chip cartridge and the complexity of a required accordingly Processing device can be reduced. Also, electrodes for the generation of bubbles are not necessary according to the invention.
Bevor Bezug nehmend auf die Figuren 2, 3 und 4 nachfolgend auf ein spezifisches Ausführungsbeispiel der Erfindung eingegangen wird, wird zunächst anhand von Fig. 1 der Hintergrund der Erfindung beschrieben. In einem fluidisch geschlossenen (dichten) Reaktionsraum mit einem Flüssigkeits-Gas-Gemisch ergibt sich beim Aufheizen ein erhöhter Druck, der mit ansteigender Temperatur auch vermehrt durch Bildung von Dampf beein- flusst wird. Gemäß der Erfindung wird durch Einsatz einer Diffusionsbarriere der Druck in einem eingeschlossenem Gasvolumen kontrolliert, Before referring to a specific embodiment of the invention with reference to FIGS. 2, 3 and 4, the background of the invention will first be described with reference to FIG. In a fluidically closed (dense) reaction space with a liquid-gas mixture, an increased pressure results during heating, which is also increasingly influenced by the formation of steam with increasing temperature. According to the invention, the use of a diffusion barrier controls the pressure in a trapped gas volume,
Fig. la zeigt schematisch einen geschlossenen Behälter 2a, in dem ein Gas-Flüssigkeits- Gemisch angeordnet ist. Fig. 1b zeigt schematisch einen geschlossenen Behälter 2b, der einen ersten Behälterabschnitt 3a und einen zweiten Behälterabschnitt 3b aufweist, zwischen denen eine Dampfdiffusionsbarriere 4 in Form eines kapillaren Kanals angeordnet ist. Fig. La shows schematically a closed container 2a, in which a gas-liquid mixture is arranged. Fig. 1b shows schematically a closed container 2b having a first container portion 3a and a second container portion 3b, between which a vapor diffusion barrier 4 is arranged in the form of a capillary channel.
In einem geschlossenen System, wie es beispielsweise durch die Behälter 2a und 2b gebildet ist, das mit Flüssigkeit und einem Gasvolumen gefüllt ist, wird sich bei einem Aufheizvorgang vermehrt Dampf bilden, da sich das Gleichgewicht zwischen Dampfbildung und Flüssigkeitsbildung mit ansteigender Temperatur verschiebt. AusfUhrungsbeispiele der Erfindung basieren, wie in Fig. 1b gezeigt ist, auf der räumlichen Trennung der Flüssigkeit und des Gases durch die Dampfdiffusionsbarriere, wobei die Flüssigkeit in dem Behälterabschnitt 3a angeordnet ist und das Gas in dem Behälterabschnitt 3b angeordnet ist. Das Volumen der Flüssigkeit wird somit von dem Volumen des eingeschlossenen Gases räumlich getrennt, jedoch besteht eine Verbindung der beiden Volumina über die Dampfdiffusionsbarriere. Beim Aufheizen des Gesamtsystems, und insbesondere auch der Flüssigkeit, die einer Temperaturbehandlung unterzogen werden soll, wird sich in der Gasschicht an der Grenzfläche von der Flüssigkeit zum Gas zunächst vermehrt Dampf bilden, bis die Gasschicht mit Wasserdampf gemäß der Gleichgewichtsreaktion (Flüssigkeitsbildung - Dampfbildung) gesättigt vorliegt. Der Wasserdampf diffundiert entlang eines Dampfkonzentrationsgradienten hin zu dem Luftvolumen mit geringerer relativer Feuchte. Aufgrund des diffusiven Stofftransports reduziert sich der Dampfgehalt an der Phasengrenzfläche, was wiederum die Bildung weiteren Dampfs auslöst. Dieser Prozess der Bildung von Dampf wird solange andauern, bis das gesamte Gasvolumen mit Dampf gesättigt vorliegt. In a closed system, such as formed by containers 2a and 2b, which is filled with liquid and a volume of gas, more vapor will form during a heating process because the equilibrium between vapor formation and liquid formation shifts with increasing temperature. Embodiments of the invention are based, as shown in FIG. 1b, on the spatial separation of the liquid and the gas through the vapor diffusion barrier, wherein the liquid is disposed in the container portion 3a and the gas is disposed in the container portion 3b. The volume of the liquid is thus spatially separated from the volume of trapped gas, but there is a connection of the two volumes across the vapor diffusion barrier. When heating the entire system, and especially the liquid, which is to be subjected to a temperature treatment, initially in the gas layer at the interface from the liquid to the gas will increasingly form steam until the gas layer is saturated with water vapor according to the equilibrium reaction (formation of liquid - vapor formation). The water vapor diffuses along a vapor concentration gradient towards the air volume with lower relative humidity. Due to the diffusive mass transport, the vapor content at the phase interface is reduced, which in turn triggers the formation of further vapor. This process of forming steam will continue until the entire gas volume is saturated with steam.
Bei dem in Fig. la gezeigten geschlossenen System wird dieses Dampf/Flüssigkeits- Gleichgewicht aufgrund der großen Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas rasch erreicht. Bei dem in Fig. 1b gezeigten geschlossenen System verhindert eine Dampfdiffusionsbarriere in Form einer Kapillare die Ausbreitung des Dampfes, so dass das Gleichgewicht je nach Auslegung der Kapillare erst nach einiger bis sehr langer Zeit erreicht wird. Durch eine Kapillare, die als Dampfbarriere fungiert, kann die Diffusionslänge sehr weit gewählt werden. Die Bildung von Dampf ist in diesem Fall von der langsamen Diffusionsrate des Dampfs entlang der Kapillare bzw. Dampfbarriere abhängig. Ein konvektiver Stofftransport entlang einer Kapillare kann vernachlässigt werden. Aus diesem Grand kann durch die Wahl der Querschnittsfläche und der Länge der Kapillare der zeitliche Verlauf des Anstiegs des Dampfgehalts und damit auch der Druckanstieg im gesamten Volumen kontrolliert werden. In the closed system shown in Figure la, this vapor / liquid equilibrium is rapidly reached due to the large liquid / gas interface. In the closed system shown in Fig. 1b, a vapor diffusion barrier in the form of a capillary prevents the propagation of the vapor, so that the equilibrium is reached only after a very long time, depending on the design of the capillary. Through a capillary, which acts as a vapor barrier, the diffusion length can be chosen very far. The formation of steam in this case depends on the slow diffusion rate of the vapor along the capillary or vapor barrier. A convective mass transport along a capillary can be neglected. From this Grand can be controlled by the choice of the cross-sectional area and the length of the capillary, the time course of the increase in the vapor content and thus the pressure increase in the entire volume.
„GGW "GGW
In den Figuren l a und 1b bezeichnet dabei der Ausdruck ^gas den Druck, der im Gas beim Erreichen des Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichts herrscht. In FIGS. 1 a and 1 b , the term gas gas designates the pressure which prevails in the gas when the vapor-liquid equilibrium is reached.
Illustrativ wird im Folgenden ein Wasser-Luft-Gemisch betrachtet, das sich in einem abgeschlossenen Raum befindet. Es wird auf 95 °C aufgeheizt. Diese Temperatur wird z.B. als Denaturierangstemperatur bei einer Polymerasen-Kettenreaktion (PCR) eingesetzt. Unter der Annahme, dass der Dampfdruck von Wasser in dem Wasser-Luft-Gemisch nur von der Temperatur abhängt, die Luft nur aus Sauerstoff (02) und Stickstoff ( 2) besteht und sich beide Gase in dem Gemisch wie ideale Gase verhalten, kann der Effekt der Diffusionsbarriere folgendermaßen beschrieben werden: Illustratively, in the following, a water-air mixture is considered, which is located in a closed room. It is heated to 95 ° C. This temperature is used, for example, as Denaturierangstemperatur in a polymerase chain reaction (PCR). Assuming that the vapor pressure of water in the water-air mixture depends only on temperature, the air consists only of oxygen (0 2 ) and nitrogen ( 2 ) and both gases in the mixture can behave as ideal gases the effect of the diffusion barrier can be described as follows:
Der Gesamtdrack in einem Gasvolumen ergibt sich aus der Summe der Partialdriicke. Für das Wasser-Luft-Gemisch werden für die Luft die Komponenten N2(80%) und 02(20%) betrachtet. Damit ergibt sich der Gesamtdrack näherungsweise zu:
Figure imgf000012_0001
The total distance in a gas volume results from the sum of the partial pressures. For the water-air mixture the components N2 (80%) and 02 (20%) are considered for the air. This results in the total track approximately to:
Figure imgf000012_0001
Vor dem Aufheizen bei Raumtemperatur (23 °C) liegt der Gesamtdrack bei ca. 1000 mbar. Der Sättigungsdampfdruck liegt bei Raumtemperatur bei ^11- ' ^ ^ 2 mbar j~)ement_ sprechend liegen die Parti aldrücke für Stickstoff und Sauerstoff bei ca. Pm (23°C) = mmbar ^ ^ Po2{2 C) = I94mbar ßd der & dcn Dcnaturierung- schritt der PCR notwendigen Temperatur von ca. 95 °C, liegt der Sättigungsdampfdruck bei ca. Ρ>!ι° ^^ ^ ~ ^ ßr ^j^j^ von Stickstoff und Sauerstoff steigen gemäß der idealen Gasgleichung auf ca.
Figure imgf000012_0002
= lilmbar ]m Gleichgewicht, das heißt, dass überall im geschlossenen System das Gasvolumen mit Dampf gesättigt ist, steigt demnach der Gesamtdrack auf ca.: p^ gas (95°C) = 205QmBar
Before heating at room temperature (23 ° C), the total crack is about 1000 mbar. The saturation vapor pressure at room temperature at ^ 11 - '^ ^ 2 mbar j ~) ement _ speaking are the Parti aldrücke for nitrogen and oxygen at about Pm (SSD 23 ° C) = mmbar ^ ^ Po2 {2 C) = I94mbar the & dcn Dnnnaturation step of the PCR necessary temperature of about 95 ° C, the saturation vapor pressure is about Ρ> ! ι ° ^^ ^ ~ ^ ^ j ^ j ^ SSR of nitrogen and oxygen in accordance with rise of the ideal gas equation to ca.
Figure imgf000012_0002
= lilmbar ] m equilibrium, that is to say that everywhere in the closed system the gas volume is saturated with steam, then the total distance increases to about: p ^ gas (95 ° C) = 205QmBar
Im Falle einer idealen Diffusionsbarriere verdampft kein Wasser und der Gesamtdrack liegt bei ca.: p'd ff (9s°C) = l200mBar In the case of an ideal diffusion barrier, no water evaporates and the total crack is approximately: p ' d ff (9 s ° C) = l200 mbar
Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung kann der zeitliche Verlauf des Druckanstieges vonWith the help of the present invention, the time course of the pressure increase of
„id-Diff GGW"Id-Diff GGW
gas nach gas kontrolliert werden. Hierfür wird näherungsweise das 1. Fick'scheg as controlled by gas . For this is approximately the 1st Fick'sche
Gesetz betrachtet: Law considered:
dx dx
wobei J den Stoffstrom, A die Querschnitts fläche der Kapillare, D den Diffusionskoeffi- dc where J is the material flow, A is the cross-sectional area of the capillary, D is the diffusion coefficient
zienten und "x den Konzentrationsgradienten darstellt. Daraus geht hervor, dass der Stoffstrom und damit die Verdampfungsrate und folglich der zeitliche Verlauf des mittlerencients and "x represents the concentration gradient. This shows that the material flow and thereby the rate of evaporation and, consequently, the time course of the mean
Dampfdruckes im Gasvolumen über die Querschnittsfläche A und die Länge L der Kapilla- dc Vapor pressure in the gas volume over the cross-sectional area A and the length L of the capillary
re einstellbar ist. Die Länge L geht hierbei über den Konzentrationsgradienten χ direkt in die Abschätzung ein. re is adjustable. The length L is included in the estimation via the concentration gradient χ .
Somit kann bei Ausführungsbcispielcn der Erfindung eine Dampfdiffusionsbarriere verwendet werden, um eine Verdampfungsrate in einem geschlossenen System zu reduzieren und dadurch einen Druckanstieg in einer Kompressionskammer bei Erwärmen eines in der Kammer angeordneten Luft-Flüssigkeits-Gemisches zu reduzieren. Thus, in embodiments of the invention, a vapor diffusion barrier may be used to reduce an evaporation rate in a closed system and thereby to reduce a pressure increase in a compression chamber upon heating of an air-liquid mixture disposed in the chamber.
Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf Fluidikstrukturen einer Fluidhandhabungs- vorrichtung. Bevor anhand von Fig. 2 diese Fluidikstrukturen näher erläutert werden, werden zunächst Bezug nehmend auf Figuren 5 und 6 Merkmale von Ausfuhrungsbeispielen erfindungsgemäßer Vorrichtungen beschrieben. FIG. 2 shows a schematic plan view of fluidic structures of a fluid handling device. FIG. Before these fluidic structures are explained in more detail with reference to FIG. 2, features of exemplary embodiments of devices according to the invention will first be described with reference to FIGS. 5 and 6.
Fig. 5 zeigt eine Vorrichtung mit einem Fluidikmodul 10 in Form eines Rotationskörpers, der ein Substrat 12 und einen Deckel 14 aufweist. Das Substrat 12 und der Deckel 14 können in Draufsicht kreisförmig sein, mit einer mittigen Öffnung, über die der Rotationskörper 10 über eine übliche Befestigungseinrichtung 16 an einem rotierenden Teil 18 einer Antriebsvorrichtung angebracht sein kann. Das rotierende Teil 18 ist drehbar an einem stationären Teil 22 der Antriebsvorrichtung 20 gelagert. Bei der Antriebsvorrichtung kann es sich beispielsweise um eine herkömmliche Zentrifuge mit einstellbarer Drehgeschwindigkeit oder auch ein CD- oder DVD-Laufwerk handeln. Eine Steuereinrichtung 24 kann vorgesehen sein, die ausgelegt ist, um die Antriebsvomchtung 20 zu steuern, um den Rotationskörper 10 mit Rotationen mit unterschiedlichen Drehfrequenzen zu beaufschlagen. Die Steuereinrichtung 24 kann, wie für Fachleute offensichtlich ist, beispielsweise durch eine entsprechend programmierte Recheneinrichtung oder eine anwenderspezifische integrierte Schaltung implementiert sein. Die Steuereinrichtung 24 kann femer ausgelegt sein, um auf manuelle Eingaben durch einen Benutzer hin die Antriebsvorrichtung 20 zu steuern, um die erforderlichen Rotationen des Rotationskörpers zu bewirken. In jedem Fall ist die Steuereinrichtung 24 konfiguriert, um die Antriebsvorrichtung 20 zu steuern, um den Rotationskörper mit den erforderlichen Drehfrequenzen zu beaufschlagen, um die Erfindung, wie sie hierin beschrieben ist, zu implementieren. Als Antriebsvorrichtung 20 kann eine herkömmliche Zentrifuge mit nur einer Drehrichtung verwendet werden. FIG. 5 shows a device with a fluidic module 10 in the form of a rotational body, which has a substrate 12 and a cover 14. The substrate 12 and the lid 14 may be circular in plan view, with a central opening through which the rotary body 10 may be attached via a conventional fastening means 16 to a rotating part 18 of a drive device. The rotating part 18 is rotatably supported on a stationary part 22 of the drive device 20. The drive device may be, for example, a conventional centrifuge with adjustable rotational speed or a CD or DVD drive. A controller 24 may be provided which is configured to control the drive unit 20 to apply rotation to the rotary body 10 at different rotational frequencies. As will be appreciated by those skilled in the art, controller 24 may be implemented by, for example, a suitably programmed computing device or custom integrated circuit. The controller 24 may be further configured to control the drive device 20 upon manual inputs by a user to effect the required rotations of the rotating body. In either case, the controller 24 is configured to control the drive device 20 to apply the rotational body at the required rotational frequencies to implement the invention as described herein. As drive device 20, a conventional centrifuge with only one direction of rotation can be used.
Der Rotationskörper 10 weist die erforderlichen Fluidikstrukturen auf. Die erforderlichen Fluidikstrukturen können durch Kavitäten und Kanäle in dem Deckel 14, dem Substrat 12 oder in dem Substrat 12 und dem Deckel 14 gebildet sein. Bei Ausführungsbeispielen können beispielsweise Fluidikstrukturen in dem Substrat 12 abgebildet sein, während Einfüllöffnungen und Entlüftungsöffnungen in dem Deckel 14 gebildet sind. The rotary body 10 has the required fluidic structures. The required fluidic structures may be formed by cavities and channels in the lid 14, the substrate 12 or in the substrate 12 and the lid 14. For example, in embodiments, fluidic structures may be imaged in the substrate 12 while fill openings and vents are formed in the lid 14.
Bei einem alternativen in Fig. 6 gezeigten Aus führungsbei spiel sind Fluidikmodule 32 in einen Rotor 30 eingesetzt und bilden zusammen mit dem Rotor 30 den Rotationskörper 10. Die Fluidikmodule 32 können jeweils ein Substrat und einen Deckel aufweisen, in denen wiederum entsprechende Fluidikstrukturen gebildet sein können. Der durch den Rotor 30 und die Fluidikmodu!e 32 gebildete Rotationskörper 10 ist wiederum durch eine Antriebs- vorrichtung 20, die durch die Steuereinrichtung 24 gesteuert wird, mit einer Rotation beaufschlagbar. In an alternative embodiment shown in FIG. 6, fluidic modules 32 are inserted into a rotor 30 and together with the rotor 30 form the rotary body 10. The fluidic modules 32 can each have a substrate and a lid, in which corresponding fluidic structures can be formed , The through the rotor 30th and the fluid body module 32 formed rotational body 10 is in turn by a drive device 20 which is controlled by the control device 24, acted upon by a rotation.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können das Fluidikmodul bzw. der Rotationskörper, das bzw. der die fluidischen Strukturen aufweist, aus einem beliebigen geeigneten Material gebildet sein, beispielsweise einem Kunststoff, wie PMMA (Polymethylmethac- rylat, Polycarbonat, PVC, Polyvinylchlorid) oder PDMS (Polydimethylsiloxan) Glas oder dergleichen. Der Rotationskörper 10 kann als eine zentrifugal-mikrofluidische Plattform betrachtet werden. In embodiments of the invention, the fluidic module or body having the fluidic structures may be formed of any suitable material, for example, a plastic such as PMMA (polymethylmethacrylate, polycarbonate, PVC, polyvinyl chloride) or PDMS (polydimethylsiloxane ) Glass or the like. The rotary body 10 may be considered as a centrifugal microfluidic platform.
Femer ist in den Figuren 5 und 6 rein schematisch eine Heizeinrichtung 40 dargestellt, die ausgelegt ist, um zumindest Abschnitte des Rotationskörpers 10 in Fig. 5 oder des Flu- idikmoduls 32 in Fig. 6 zu heizen, derart, dass zumindest ein erster Kompressionskammerabschnitt und dessen Inhalt erwärmt wird. Die Heizeinrichtung 40 kann dabei als externe Heizeinrichtung, beispielsweise Strahlheizung, ausgelegt sein, oder kann in das Fluidikmodul oder die Antriebseinrichtung integriert sein. Furthermore, in FIGS. 5 and 6, purely schematically, a heating device 40 is shown, which is designed to heat at least portions of the rotational body 10 in FIG. 5 or the fluidic module 32 in FIG. 6, such that at least one first compression chamber portion and whose contents are heated. In this case, the heating device 40 can be designed as an external heating device, for example jet heating, or can be integrated into the fluidic module or the drive device.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf einen Rotationskörper 50 mit einer Rotationsachse 52. Wird hierin der Ausdruck„radial" verwendet, so ist jeweils radial bezüglich des Rotationszentrums, um das das Fluidikmodul bzw. der Rotor drehbar ist, also in Fig. 2 die Rotationsachse 52, gemeint. Im Zentrifugalfeld ist somit eine radiale Richtung von dem Rotationszentrum weg radial abfallend und eine radiale Richtung zu dem Rotationszentrum hin ist radial ansteigend. Ein Fluidkanal, dessen Anfang näher am Rotationszentram liegt als dessen Ende, ist somit radial abfallend, während ein Fluidkanal, dessen Anfang weiter vom Rotationszentrum entfernt ist als dessen Ende, radial ansteigend ist. 2 shows a plan view of a rotary body 50 having a rotation axis 52. If the term "radial" is used herein, the rotational axis is in each case radial with respect to the center of rotation about which the fluidic module or the rotor is rotatable, that is to say in FIG Thus, in the centrifugal field, a radial direction is radially sloping away from the center of rotation, and a radial direction toward the center of rotation is radially increasing, and a fluid channel whose beginning is closer to the center of rotation than its end is thus radially sloping while a fluid channel whose beginning is farther from the center of rotation than the end of which is radially increasing.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können insbesondere auf dem Gebiet der zentrifugalen Mikrolluidik Anwendung finden, bei der es um die Prozessierung von Flüssigkeiten im Nanoliter- bis Milliliterbereich geht. Entsprechend können die Flu- idikstrukturen geeignete Abmessungen im Mikrometerbereich für die ί landhabung entsprechender Flüssigkeitsvolumina aufweisen. Embodiments of the present invention may find particular application in the field of centrifugal micro-scrolling, which involves the processing of liquids in the nanoliter to milliliter range. Correspondingly, the fluidic structures can have suitable dimensions in the micrometer range for the corresponding liquid volumes.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, weisen die in einem Rotationskörper 50 gebildeten Fluidikstruk- turen eine Einlasskammer 54 auf, die über eine Entlüftungsöffnung 56 entlüftet werden kann. Die Einlasskammer 54 ist über einen Einlasskanal 58 mit einer Kompressionskammer 60 fluidisch verbunden. Die Kompressionskammer 60 weist einen ersten Kompressionskammerabschnitt 62, einen zweiten Kompressionskammerabschnitt 64 und eine zwi- sehen dem ersten Kompressionskammerabschnitt 62 und dem zweiten Kompressionskammerabschnitt 64 angeordnete Dampfdi ff usionsbarriere 66 in Form eines kapillaren Kanals auf. Die Strukturen 62, 64 und 66 bilden eine Kompressionskammer, da ein darin eingeschlossenes Gasvolumen durch eine Flüssigkeit, die über die Einlasskammer 54 und den Einlasskanal 58 in den ersten Kompressionskammerabschnitt 62 eingebracht wird, eingeschlossen und komprimiert werden kann. As shown in FIG. 2, the fluidic structures formed in a rotary body 50 have an inlet chamber 54, which can be vented via a vent opening 56. The inlet chamber 54 is fluidly connected to a compression chamber 60 via an inlet channel 58. The compression chamber 60 has a first compression chamber section 62, a second compression chamber section 64 and an intermediate compression chamber section 64. see Dampfdi ff usions Barriere 66 in the form of a capillary channel arranged on the first compression chamber section 62 and the second compression chamber section 64. The structures 62, 64, and 66 form a compression chamber because a volume of gas trapped therein can be trapped and compressed by a liquid introduced into the first compression chamber portion 62 via the inlet chamber 54 and the inlet channel 58.
Der erste Kompressionskammerabschnitt 62 ist über einen Auslasskanal 68 mit einer Auffangkammer 70 fluidisch verbunden. Die Auffangkammer 70 weist eine Entlüftung 72 auf. The first compression chamber section 62 is fluidically connected via a discharge channel 68 to a collecting chamber 70. The collecting chamber 70 has a vent 72.
Der Einlasskanal 58 ist mit einem F demlass des ersten Kompressionskammerabschnitts 62 fluidisch gekoppelt. Der Auslasskanal 68 ist bei dem gezeigten Aus ührungsbeispiel ebenfalls mit dem Fluideinlass des ersten Kompressionskammerabschnitts 62 fluidisch gekoppelt, wobei der Einlasskanal 58 und der Auslasskanal 68 einen gemeinsamen Kanalabschnitt aufweisen. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann der erste Kompressionskammerabschnitt einen separaten Fluidauslass aufweisen, mit dem der Auslasskanal fluidisch gekoppelt ist. The inlet passage 58 is fluidly coupled to a valve outlet of the first compression chamber section 62. In the embodiment shown, the outlet channel 68 is also fluidly coupled to the fluid inlet of the first compression chamber section 62, wherein the inlet channel 58 and the outlet channel 68 have a common channel section. In alternative embodiments, the first compression chamber portion may include a separate fluid outlet to which the outlet channel is fluidically coupled.
Bei der Kompressionskammer handelt es sich bei Ausiührungsbeispielen um eine nicht entlüftete Kammer, um das Komprimieren des kompressiblen Mediums zu ermöglichen. Bei Ausfuhrungsbeispielen weist die Kompressionskammer mit Ausnahme des Fluidein- lasses oder mehrerer Fluideinlässe, die mit Einlasskammern und/Oder Auffangkammern verbunden sind, keine Fluidöffnungen auf. Bei Ausführungsbeispielen kann die Kompressionskammer zusätzliche Fluidöffnungen aufweisen, die jedoch bezüglich des Gases in der Kompressionskammer einen so hohen Flusswiderstand aufweisen, dass ein Komprimieren des Gases möglich ist und somit keine Entlüftung der Kompressionskammer im Sinne eines Druckausgleichs stattfindet. Bei Ausiührungsbeispielen kann die Kompressionskammer zumindest eine zusätzliche Fluidöffnung aufweisen, die wahlfrei verschlossen werden kann, beispielsweise durch ein Ventil, das aktiv betätigt werden kann, so dass im geschlossenen Zustand der zusätzlichen Fluidöffnung ein Gas in der Kompressionskammer komprimiert werden kann. The compression chamber is a non-vented chamber in embodiments to facilitate compression of the compressible medium. In embodiments, the compression chamber, with the exception of the fluid inlet or a plurality of fluid inlets, which are connected to inlet chambers and / or collecting chambers, no fluid openings. In embodiments, the compression chamber may have additional fluid openings, but with respect to the gas in the compression chamber have such a high flow resistance that compression of the gas is possible and thus no venting of the compression chamber takes place in the sense of pressure equalization. In Ausiührungsbeispielen the compression chamber may have at least one additional fluid opening, which can be optionally closed, for example by a valve that can be actively actuated, so that in the closed state of the additional fluid opening, a gas in the compression chamber can be compressed.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Diffusionsbarriere in Form eines kapillaren Kanals ausgebildet, der eine Länge aufweist, die zumindest 3-mal, 5-mal oder 10-mal größer als der hydraulische Durchmesser des kapillaren Kanals ist. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann der kapillare Kanal eine Länge aufweisen, die zumindest 20-mal größer als der hydraulische Durchmesser des kapillaren Kanals ist. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann alternativ oder zusätzlich das Volumen des zweiten Kompressionskammerabschnitts 64 mindestens 5-mal, 10-mal oder mindestens 20-mal größer als das Produkt eines Querschnitts und Länge des kapillaren Kanals sein. In embodiments of the invention, the diffusion barrier is in the form of a capillary channel having a length that is at least 3, 5 or 10 times greater than the hydraulic diameter of the capillary channel. In alternative embodiments, the capillary channel may have a length which is at least 20 times greater than the hydraulic diameter of the capillary channel. In embodiments of the invention, alternatively or additionally, the volume of the second compression chamber portion 64 may be at least 5 times, 10 times or at least 20 times greater than the product of a cross-section and length of the capillary channel.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ist die Auffangkammer 70 radial weiter innen angeordnet als der erste Kompressionskammerabschnitt 62, so dass Flüssigkeit aus dem ersten Kompressionskammerabschnitt 62 über eine Pumphöhe 80 radial nach innen in die Auffangkammer 70 gepumpt werden kann. Der kapillare Kanal 66 kann beispielsweise einen Querschnitt von ΙΟΟμηι x 1 ΟΟμιτι aufweisen und trennt ein in den zweiten Kompressionskammerabschnitt 64 angeordnetes Gasvolumen von einem in dem ersten Kompressionskammerabschnitt 62 angeordneten Flüssigkeitsvolumen. Das in dem zweiten Kompressionskammerabschnitt angeordnete Flüssigkeitsvolumen wird dabei mittels der Heizeinrichtung, die in Fig. 2 ebenfalls schematisch in gestrichelten Linien dargestellt ist, erwärmt, um beispielsweise eine biochemische Reaktion (z.B. eine PCR-Reaktion) in flüssiger Phase zu bewirken. Der zweite Kompressionskammerabschnitt 62 kann daher auch als Reaktionskammer bezeichnet werden. As shown in FIG. 2, the collection chamber 70 is located radially further inward than the first compression chamber portion 62 so that liquid from the first compression chamber portion 62 can be pumped radially inward into the collection chamber 70 via a pumping height 80. The capillary channel 66 may, for example, have a cross section of ΙΟΟμηι x 1 ΟΟμιτι and separates a disposed in the second compression chamber section 64 gas volume of a arranged in the first compression chamber section 62 liquid volume. The volume of liquid disposed in the second compression chamber portion is thereby heated by means of the heater, which is also shown schematically in phantom in Fig. 2, to effect, for example, a biochemical reaction (e.g., a PCR reaction) in the liquid phase. The second compression chamber portion 62 may therefore also be referred to as a reaction chamber.
Die in Fig. 2 gezeigten Fluidikstnikturen stellen eine pneumatische Pumpstruktur, die ein radiales Einwärtspumpen ermöglicht, in Kombination mit einer Diffusionsdruckbarriere dar. The fluidics shown in FIG. 2 provide a pneumatic pumping structure that allows radial inward pumping in combination with a diffusion pressure barrier.
Anhand von Fig. 3 wird nachfolgend der Betrieb und entsprechend ein Verfahren zum Prozessieren einer Flüssigkeit Bezug nehmend auf das gezeigte Beispiel einer pneumatischen Siphon- Struktur zur PCR-Amplifikation beschrieben. Zunächst wird Flüssigkeit in die Eingriffskammer 54 eingebracht, was beispielsweise über die Entlüftungsöffnung 56 erfolgen kann. Dies kann bei Raumtemperatur erfolgen. Durch Erhöhung der Drehfrequenz des Rotors wird die Probenflüssigkeit bei Raumtemperatur von beispielsweise 25 °C durch Zentrifugalkraft von der Einlasskammer 54 durch den Einlasskanal 58 in die Kompressionskammer 60, insbesondere den ersten Kompressionskammerabschnitt 62, und den Auslasskanal gedrückt. Dabei wird in dem zweiten Kompressionskammerabschnitt 64 angeordnetes Gas, beispielsweise Luft, das ein kompressibles Medium darstellt, komprimiert. Dadurch wird ein Überdruck p in dem Gas erzeugt, wie in Phase 1 in Fig. 3 dargestellt ist. Die Erhöhung der Drehfrequenz kann beispielsweise mit einer Beschleunigung von 10 Hz/s stattfinden. With reference to Fig. 3, the operation and, accordingly, a method of processing a liquid will be described below with reference to the shown example of a pneumatic siphon structure for PCR amplification. First, liquid is introduced into the engagement chamber 54, which can be done for example via the vent opening 56. This can be done at room temperature. By increasing the rotational frequency of the rotor, the sample liquid at room temperature of, for example, 25 ° C is forced by centrifugal force from the inlet chamber 54 through the inlet channel 58 into the compression chamber 60, in particular the first compression chamber portion 62, and the outlet channel. In this case, gas arranged in the second compression chamber section 64, for example air, which represents a compressible medium, is compressed. As a result, an overpressure p is generated in the gas, as shown in phase 1 in FIG. The increase in the rotational frequency can take place, for example, with an acceleration of 10 Hz / s.
Nachfolgend wird in Phase 2 die Drehfrequenz konstant gehalten, wobei die Flüssigkeitsfüllstände in dem Einlasskanal 58, der Kompressionskammer 60 und dem Auslasskanal 68 eine Gleichgewichtsposition einnehmen, während das Gas in dem zweiten Kompressions- kammerabschnitt 64 weiterhin komprimiert ist. Beispielsweise kann die konstante Drehfrequenz 35 Hz betragen. Subsequently, in phase 2, the rotational frequency is kept constant, with the liquid levels in the inlet channel 58, the compression chamber 60 and the outlet channel 68 assuming an equilibrium position, while the gas in the second compression Chamber section 64 is still compressed. For example, the constant rotational frequency can be 35 Hz.
Während der Phase 2 werden die Temperaturen unter Verwendung der Heizeinrichtung zyklisch reguliert, beispielsweise zwischen 50°C und max. 99°C, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Während dieser Temperaturbehandlung wird der Überdruck zwischen der Kompressionskammer 60 und dem Umgebungsdruck, hier dem Atmosphärendruck, durch eine insgesamt geringe Dampfbildung reduziert, so dass die fluidische Funktionalität gewährleistet werden kann. Die geringe Dampfbildung wird dabei durch die Dampfdiffusionsbarriere 66 erreicht, wobei in Phase 2 schematisch diffundierende Dampfmoleküle in einem vergrößerten Abschnitt der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit in dem ersten Kompressionskammerabschnitt 62 und Gas in der Diffusionsbarriere 60 dargestellt sind. During Phase 2, the temperatures are cycled using the heater, for example between 50 ° C and max. 99 ° C, as shown in Fig. 3. During this temperature treatment, the excess pressure between the compression chamber 60 and the ambient pressure, in this case the atmospheric pressure, is reduced by an overall low formation of steam, so that the fluidic functionality can be ensured. The low vapor formation is achieved by the vapor diffusion barrier 66, wherein in phase 2 schematically diffusing vapor molecules in an enlarged portion of the interface between liquid in the first compression chamber portion 62 and gas in the diffusion barrier 60 are shown.
Nach der Temperaturbehandlung in Phase 2 erfolgt eine rasche Senkung der Drehfrequenz, beispielsweise mit einer Abbremsrate von 20 Hz/s. Dadurch wird der Druck in der Kompressionskammer 60 abgebaut, wobei sich das komprimierte Gas ausdehnt und ein Großteil der Probenflüssigkeit über den Pfad des geringsten Widerstands entweicht. Dabei sind der Auslasskanal 68 und der Einlasskanal 58 derart ausgelegt, dass der Strömungswiderstand des Auslasskanals 68 für einen Flüssigkeitsfiuss von der Kompressionskammer 60 zu der Auffangkammer 70 kleiner ist als ein Strömungswiderstand des Einlasskanals 58 für einen Flüssigkeitsfiuss von der Kompressionskammer 60 zu der Einlasskammer 54. Somit entweicht die Flüssigkeit aus dem zweiten Kompressionskammerabschnitt 62 durch den Auslasskanal 68 in die Auffangkammer 70, wie durch Phase 3 in Fig. 3 dargestellt ist. After the temperature treatment in phase 2, a rapid reduction of the rotational frequency occurs, for example with a deceleration rate of 20 Hz / s. Thereby, the pressure in the compression chamber 60 is reduced, wherein the compressed gas expands and a majority of the sample liquid escapes through the path of least resistance. In this case, the outlet channel 68 and the inlet channel 58 are designed such that the flow resistance of the outlet channel 68 for a liquid flow from the compression chamber 60 to the collection chamber 70 is less than a flow resistance of the inlet channel 58 for a liquid flow from the compression chamber 60 to the inlet chamber 54 The liquid escapes from the second compression chamber section 62 through the outlet channel 68 into the catch chamber 70, as shown by phase 3 in FIG.
Bei dem gezeigten Beispiel wird die Rotationsfrequenz auf 10 Hz abgesenkt. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann die untere Drehfrequenz auch null werden oder negative Werte (umgekehrte Drehrichtung) annehmen. Die Temperatur beim Ausbringen der Flüssigkeit in die Auffangkammer, die bei dem gezeigten Beispiel 70° beträgt, kann in einem Bereich von Raumtemperatur bis 99°C gewählt werden. Darüber hinaus sind auch Temperaturen unter Raumtemperatur möglich, weil dann der Überdruck reduziert wird. In the example shown, the rotation frequency is lowered to 10 Hz. In alternative embodiments, the lower rotational frequency may also become zero or assume negative values (reverse rotational direction). The temperature of discharging the liquid into the catching chamber, which is 70 ° in the example shown, may be selected in a range from room temperature to 99 ° C. In addition, temperatures below room temperature are possible, because then the pressure is reduced.
Beispielsweise kann die bei diesen Ausführungsbeispielen skizzierte Implementierung monolithisch realisiert sein. Es hat sich gezeigt, dass sich unter den beschriebenen Bedingungen nach einem PCR-Thermocycling von einer 40 μΙ-Probe innerhalb von einer Sekunde über 90% über eine Pumphöhe von 30 mm radial einwärts pumpen lassen. For example, the implementation outlined in these embodiments may be implemented monolithically. It has been shown that, under the conditions described above, after a PCR thermocycling of a 40 μΙ sample, more than 90% can be pumped radially inwards over a pump height of 30 mm within one second.
Fig. 4 zeigt Fluidikstrukturen eines alternativen Ausftihrungsbeispiels, die eine Kompressionskammer 60' mit einem ersten Kompressionskammerabschnitt 62' und einem zweiten Kompressionskammerabschnitt 64% einen Einlasskanal 58' und eine Diffusionsbarriere 66' in Form eines Fluidkanals aufweisen. Der erste Kompressionskammerabschnitt 62' weist ein Ventil 90 auf, das während eines Bei ull Vorganges geöffnet sein kann, um einen Druckausgleich zu erzielen und anschließend geschlossen werden kam. Optional kann auch der Zulauf (Einlasskanal 58') der Reaktionskammer (Kompressionskammer 60') ein Ventil 92 aufweisen, das während der Befüllung offen ist und anschließend geschlossen werden kann. Somit weist einer der Kompressionskammerabschnitte ein Ventil auf, das wahlweise während des Befüilvorgangs oder auch während des Erhitzens geöffnet werden kann, um einen Druckausgleich herzustellen. Im weiteren Verlauf kann das Ventil geschlossen werden. Während der Phasen mit erhöhter Temperatur wird ein Druckanstieg aufgrund Verdampfung über die Dampfdiffusionsbarriere reduziert. FIG. 4 shows fluidic structures of an alternative embodiment which includes a compression chamber 60 'having a first compression chamber portion 62' and a second compression chamber portion 62 ' Compression chamber section 64% have an inlet channel 58 'and a diffusion barrier 66' in the form of a fluid channel. The first compression chamber portion 62 'has a valve 90 which may be open during a case of zero action to achieve pressure equalization and then closed. Optionally, the inlet (inlet channel 58 ') of the reaction chamber (compression chamber 60') can also have a valve 92 which is open during filling and can subsequently be closed. Thus, one of the compression chamber sections has a valve which can be selectively opened during the Befiilvorgangs or even during heating to produce a pressure equalization. In the further course, the valve can be closed. During the elevated temperature phases, a pressure increase due to evaporation across the vapor diffusion barrier is reduced.
Die Heizeinrichtung kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ausgelegt sein, um lokal den ersten Kompressionskammerabschnitt und die darin angeordnete Flüssigkeit zu erwärmen. Bei alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die I ieizeinrichtung jedoch auch ausgebildet sein, um global den gesamten Rotationskörper bzw. das gesamte Fluidikmodui zu erwärmen. Somit ermöglichen Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung einen einfachen Aufbau, da keine spezifische ί ieizeinrichtung zum Erwärmen nur eines Teils des Rotationskörpers bzw. des Fluidikmoduls benötigt wird. Beispielsweise kann die Heizeinrichtung eine globale Heizeinrichtung sein, die ausgelegt ist, um den gesamten Rotationskörper durch Erwärmen des rotierenden Teils der Antriebseinrichtung, an dem der Rotationskörper angebracht ist, zu erwärmen. The heater may be configured in embodiments of the invention to locally heat the first compression chamber portion and the liquid disposed therein. However, in alternative embodiments of the invention, the insulating means may also be configured to globally heat the entire rotary body or the entire fluidic module. Thus, exemplary embodiments of the invention allow a simple construction, since no specific etching device is required for heating only a part of the rotary body or of the fluidic module. For example, the heater may be a global heater configured to heat the entire rotary body by heating the rotary part of the drive device to which the rotary body is attached.
Ausfuhrungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen somit eine passive Methode, einen Druckanstieg durch Dampfbildung in einem eingeschlossenen Gasvolumen zu reduzieren und zu regulieren. Ausführungsbeispiele der Erfindung können für komplett geschlossene Systeme und auch für teilbelüftete Systeme verwendet werden, bei denen mit der Flüssigkeit, nicht jedoch mit dem eingeschlossenen Gas, in Verbindung stehende Flu- idikstrukturen entlüftet sind. Embodiments of the present invention thus provide a passive method of reducing and regulating a pressure increase through vapor formation in an enclosed volume of gas. Embodiments of the invention can be used for completely closed systems and also for partially ventilated systems in which fluid structures associated with the liquid, but not with the enclosed gas, are vented.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung wird erstmals eine Dampfdiffusionsbarriere eingesetzt, um bei erhöhten Temperaturen bis 99°C den Gesamtdruck in einem komplett oder teilweise geschlossenen System mit Gas-Flüssigkeits-Gemisch durch die Reduzierung an Dampfbildung zu reduzieren bzw. zu minimieren. Durch Wahl der geometrischen Parameter der Dampfdiffusionsbarriere, d.h. des Querschnitts und der Länge der Kapillare, kann der Druck reguliert werden. Die Verwendung von Dampfdiffusionsbarrieren zur Reduzierung des Drucks in geschlossenen Systemen ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt. Mit anderen Worten schaffen Ausfiihrungsbeispiele der Erfindung geometrische Strukturen und Methoden, mit deren Einsatz der Gesamtdruck, global in einem geschlossenen oder lokal in einem teilweise geschlossenen System mit Flüssigkeits-Gas-Gemisch durch Einsatz einer Dampfdiffusionsbarriere reduziert wird. Ausführungsbeispiele schaffen geometrische Strukturen und Methoden, bei denen der Druck durch Wahl der geometrischen Parameter der Diffusionsbarriere reguliert werden kann. In embodiments of the invention, a vapor diffusion barrier is used for the first time to reduce or minimize the total pressure in a completely or partially closed system with gas-liquid mixture by reducing the formation of steam at elevated temperatures up to 99 ° C. By choosing the geometric parameters of the vapor diffusion barrier, ie the cross section and the length of the capillary, the pressure can be regulated. The use of vapor diffusion barriers to reduce the pressure in closed systems is not known in the prior art. In other words, embodiments of the invention provide geometric structures and methods that reduce the overall pressure globally in a closed or locally partially closed system liquid-gas mixture by using a vapor diffusion barrier. Embodiments provide geometric structures and methods in which the pressure can be regulated by selecting the geometric parameters of the diffusion barrier.
Obwohl bezugnehmend auf Fig. 3 spezifische Drehraten und Temperaturen beschrieben wurden, ist es für Fachleute offensichtlich, dass bei anderen Ausführungsbeispielen andere Drehraten und Temperaturen verwendet werden können. Die vorliegende Erfindung kann dabei überall Anwendung finden, wo ein Gas/Flüssigkeitsgemisch während einer Temperaturbehandlung einem Druck ausgesetzt ist und ein zusätzlicher Druck aufgrund einer Verdampfung der Flüssigkeit in das Gas reduziert werden soll. Although specific rotational rates and temperatures have been described with reference to FIG. 3, it will be apparent to those skilled in the art that other rotational rates and temperatures may be used in other embodiments. The present invention can be used everywhere, where a gas / liquid mixture is exposed during a temperature treatment to a pressure and an additional pressure due to evaporation of the liquid is to be reduced in the gas.

Claims

Ansprüche claims
1. Fluidhandhabungsvorrichtung, mit folgenden Merkmalen: einer Kompressionskammer (60) mit einem ersten Kompressionskammerabschnitt (62) und einem zweiten Kompressionskammerabschnitt (64), wobei der erste Kompressionskammerabschnitt (62) einen F deinlass aufweist, über den eine Flüssigkeit in die Kompressionskammer (60) einbringbar ist; einer Dampfdiffusionsbarriere (66) zwischen dem ersten Kompressionskammerabschnitt (62) und dem zweiten Kompressionskammerabschnitt (64); und einer Heizeinrichtung (40), die ausgelegt ist, um zumindest den ersten Kompressionskammerabschnitt (62) und dessen Inhalt zu erwärmen, wobei die Dampfdiffusionsbarriere (66) ausgelegt ist, um bei einer Erwärmung des ersten Kompressionskammerabschnitts (62) und dessen Inhalts eine Verdampfungsrate einer in dem ersten Kompressionskammerabschnitt (62) angeordneten Flüssigkeit in ein in dem zweiten Kompressionskammerabschnitt (64) angeordnetes Gas zumindest zu reduzieren und somit einen Druckanstieg in der Kompressionskammer (60) zu reduzieren. A fluid handling apparatus comprising: a compression chamber (60) having a first compression chamber portion (62) and a second compression chamber portion (64), the first compression chamber portion (62) having a fluid inlet through which a fluid enters the compression chamber (60) can be introduced; a vapor diffusion barrier (66) between the first compression chamber portion (62) and the second compression chamber portion (64); and a heater (40) configured to heat at least the first compression chamber portion (62) and its contents, wherein the vapor diffusion barrier (66) is configured to provide a vaporization rate of a first compression chamber portion (62) and its contents to at least reduce liquid disposed in the first compression chamber portion (62) into a gas disposed in the second compression chamber portion (64), and thus to reduce a pressure increase in the compression chamber (60).
2, Fluidhandhabungsvorrichtung nach Ansprach 1, bei der die Kompressionskammer nicht entlüftet ist und wobei die Flüssigkeit über den FMdeinlass in die Kompressionskammer einbringbar ist, um ein in der Kompressionskammer (60) eingeschlossenes Gasvolumen zu komprimieren. 2, fluid handling device according to claim 1, wherein the compression chamber is not vented and wherein the liquid is introduced via the FMdeinlass in the compression chamber to compress a trapped in the compression chamber (60) gas volume.
3, Fluidhandhabungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der einer der Kompressionskammerabschnitte mit einem Ventil versehen ist, das wahlweise geöffnet werden kann, um eine Entlüftung der Kompressionskammer zu ermöglichen, oder geschlossen werden kann, um eine Entlüftung der Kompressionskammer zu verhindern. 3, fluid handling device according to claim 1, wherein one of the compression chamber sections is provided with a valve which can be selectively opened to allow venting of the compression chamber, or can be closed to prevent venting of the compression chamber.
4. Fluidhandhabungsvorrichtung nach Ansprach 3, die eine Steuereinrichtung aufweist, die ausgelegt ist, um während des Einbringens der Flüssigkeit das Ventil zu öffnen, um einen Druckausgleich in der Kompressionskammer herzustellen, und nach dem Einbringen der Flüssigkeit oder nach dem Einbringen der Flüssigkeit und der zumindest teilweisen Erwärmung der Flüssigkeit das Ventil zu schließen, um nachfolgend bei geschlossenem Ventil während Phasen mit erhöhter Temperatur einen durch Verdampfung bedingten Druckanstieg in der Kompressionskammer (60) durch die Diffusionsbarriere zu reduzieren, 4. A fluid handling apparatus according to claim 3, comprising a controller adapted to open the valve during liquid introduction to establish pressure equalization in the compression chamber and after introduction of the liquid or after introduction of the liquid and the at least one partial heating of the liquid to close the valve to subsequently, when the valve is closed during periods of elevated temperature, to reduce a pressure increase in the compression chamber (60) due to evaporation through the diffusion barrier,
Fluidhandhabungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der dieFluid handling device according to one of claims 1 to 4, wherein the
Dampfdiffusionsbarriere (66) einen kapillaren Kanal aufweist, der den ersten Kompressionskammerabschnitt (62) mit dem zweiten Kompressionskammerabschnitt (64) fluidisch verbindet. Vapor diffusion barrier (66) has a capillary channel fluidly connecting the first compression chamber portion (62) to the second compression chamber portion (64).
Fluidhandhabungsvorrichtung nach Ansprach 5, bei der der kapillare Kanal eine Länge aufweist, die zumindest 3-mal, 5-mal oder 10-mal größer ist als der hydraulische Durchmesser des kapillaren Kanals und/oder bei der das Volumen des zweiten Kompressionskammerabschnitts (64) mindestens 5-mal, 10-mal oder 20-mal größer als das Produkt aus Querschnitt und Länge des kapillaren Kanals ist. The fluid handling device of claim 5 wherein the capillary channel has a length at least 3, 5 or 10 times greater than the capillary channel hydraulic diameter and / or at least the volume of the second compression chamber section (64) 5 times, 10 times or 20 times larger than the product of cross section and length of the capillary channel is.
Fluidhandhabungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Dampfdiffusionsbarriere (66) eine gasdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige Membran aufweist, die den ersten Kompressionskammerabschnitt (62) und den zweiten Kompressionskammerabschnitt (64) voneinander trennt. The fluid handling device of any one of claims 1 to 6, wherein the vapor diffusion barrier (66) comprises a gas permeable and liquid impermeable membrane separating the first compression chamber portion (62) and the second compression chamber portion (64).
Fluidhandhabungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Flui- deinlass mit einer Einlasskammer (54) fluidisch verbunden ist, wobei die Kompressionskammer (60) und die Einlasskammer (54) in einem Rotationskörper (10; 50) oder einem Fluidikmodul (32), das in einen Rotationskörper (10) einsetzbar ist, gebildet sind, so dass durch Rotation des Rotationskörpers (10) die Flüssigkeit durch Zentrifugalkraft aus der Einlasskammer (54) in den ersten Kompressionskammerabschnitt (62) einbringbar ist. Fluid handling device according to one of claims 1 to 7, wherein the fluid inlet is fluidically connected to an inlet chamber (54), wherein the compression chamber (60) and the inlet chamber (54) in a rotary body (10; 50) or a fluidic module (32 ), which is insertable into a rotary body (10) are formed, so that by rotation of the rotary body (10), the liquid by centrifugal force from the inlet chamber (54) in the first compression chamber section (62) can be introduced.
Fluidhandhabungsvorrichtung nach Anspruch 8, die ferner eine Auffangkammer (70) aufweist, die über einen Auslassfluidkanal (68) mit der Kompressionskammer (60) fluidisch verbunden ist, wobei der Auslassfluidkanal (68) einen Auslassfluid- kanaleinlass, der in die Kompressionskammer (60) mündet und der radial weiter außen angeordnet ist als ein Auslassfluidkanalauslass des Ausiassfluidkanals, der in die Auffangkammer (70) mündet, wobei Flüssigkeit aus dem ersten Kompressionskammerabschnitt (62) durch Ausdehnen des in der Kompressionskammer (60) angeordneten Gases durch den Auslassfluidkanal (68) in die Auffangkammer (70) treibbar ist. The fluid handling device of claim 8, further comprising a collection chamber (70) fluidly coupled to the compression chamber (60) via an outlet fluid channel (68), the outlet fluid channel (68) having an outlet fluid channel inlet opening into the compression chamber (60) and disposed radially farther out than an outlet fluid passage outlet of the discharge fluid passageway opening into the collection chamber (70), wherein liquid from the first compression chamber section (62) is expanded by expanding the gas disposed in the compression chamber (60) through the outlet fluid passageway (68) Drift chamber (70) is drivable.
10. Fluidhandhabungsvorrichtung nach Anspruch 9, bei dem ein Verhältnis eines Strömungswiderstands des Auslassfluidkanals für einen Flüssigkeitsfluss von der Kompressionskammer (60) zu der Auffangkammer und eines Strömungswiderstands eines Hin] assfl uidkanals zwischen der Kompressionskammer (60) und der Einlasskammer für einen Flüssigkeitsfluss von der Kompressionskammer (60) zu der Einlasskammer eingestellt ist, um ein bestimmtes Verhältnis zwischen einem Volu- mcnfluss in die Auffangkammer und einem Volumenfiuss in die Einlasskammer einzustellen. 10. The fluid handling apparatus of claim 9, wherein a ratio of flow resistance of the outlet fluid channel for fluid flow from the compression chamber to the collection chamber and a flow resistance of a return fluid channel between the compression chamber and the inlet chamber for fluid flow from the compression chamber (60) is set to the inlet chamber to set a certain ratio between a volume flow into the catch chamber and a volume flow into the inlet chamber.
1 1. Fluidhandhabungsvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, die femer eine Antriebseinrichtung (20) aufweist, die ausgelegt ist, um in einer ersten Phase den Rotationskörper (10; 50) mit einer solchen Drehfrequenz zu beaufschlagen, dass das Gas in der Kompressionskammer (60) durch die eingebrachte Flüssigkeit komprimiert wird, und in einer zweiten Phase, nach einer Temperaturbehandlung der Flüssigkeit, die Drehfrequenz zu verringern, um zumindest Teile der Flüssigkeit über den Auslassfluidkanal (68) aus der Kompressionskammer (60) in die Auffangkammer (70) zu treiben. 1 1. Fluid handling device according to claim 9 or 10, further comprising a drive device (20) which is designed to apply in a first phase, the rotary body (10; 50) with a rotational frequency such that the gas in the compression chamber (60 ) is compressed by the introduced liquid, and in a second phase, after a temperature treatment of the liquid, to reduce the rotational frequency to drive at least parts of the liquid through the Auslassfluidkanal (68) from the compression chamber (60) in the collecting chamber (70) ,
12. Fluidhandhabungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , bei der die Heizeinrichtung (40) eine globale Heizeinrichtung ist, die ausgelegt ist, um den gesamten Rotationskörper zu erwärmen. The fluid handling apparatus according to any one of claims 8 to 1 1, wherein the heater (40) is a global heater configured to heat the entire rotary body.
13. Verfahren zum Prozessieren einer Flüssigkeit mit folgenden Merkmalen: 13. A process for processing a liquid having the following features:
Einbringen einer Flüssigkeit durch einen Fluideinlass in einen ersten Kompressionskammerabschnitt (62) einer Kompressionskammer (60) die den ersten Kompressionskammerabschnitt (62) und einen zweiten KompressionskammerabschnittIntroducing a liquid through a fluid inlet into a first compression chamber section (62) of a compression chamber (60) containing the first compression chamber section (62) and a second compression chamber section
(64) aufweist; (64);
Prozessieren der Flüssigkeit in dem ersten Kompressionskammerabschnitt (62), wobei das Prozessieren ein Erwärmen zumindest der in dem ersten Kompressionskammerabschnitt (62) angeordneten Flüssigkeit aufweist, wobei eine Dampfdiffusionsbarriere (66) zwischen dem ersten Kompressionskammerabschnitt (62) und dem zweiten Kompressionskammerabschnitt (64) angeordnet ist, so dass bei dem Erwärmen eine Verdampfungsrate der in dem ersten Kompressionskammerabschnitt (62) angeordneten Flüssigkeit in das in dem zweiten Kom- pressionskammerabschnitt (64) angeordnete Gas zumindest reduziert und somit ein Druckanstieg in der Kompressionskammer (60) reduziert wird. Processing the liquid in the first compression chamber portion (62), wherein the processing comprises heating at least the liquid disposed in the first compression chamber portion (62), wherein a vapor diffusion barrier (66) is disposed between the first compression chamber portion (62) and the second compression chamber portion (64) is such that upon heating, an evaporation rate of the liquid arranged in the first compression chamber section (62) into that in the second chamber Pression chamber section (64) arranged at least reduced gas and thus a pressure increase in the compression chamber (60) is reduced.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Kompressionskammer (60) eine nicht entlüftete Kompressionskammer ist, wobei das Einbringen der Flüssigkeit ein Komprimieren eines in der Kompressionskammer (60) eingeschlossenen Gasvolumens aufweist. The method of claim 13, wherein the compression chamber (60) is a non-vented compression chamber, wherein the introduction of the fluid comprises compressing a volume of gas trapped in the compression chamber (60).
15. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem einer der Kompressionskammerabschnitte (62, 64) mit einem Ventil versehen ist, das wahlweise geöffnet werden kann, um eine Entlüftung der Kompressionskammer (60) zu ermöglichen, oder geschlossen werden kann, um eine Entlüftung der Kompressionskammer (60) zu verhindern, wobei das Verfahren ein Öffnen des Ventils während des Einbringens der Flüssigkeit, um einen Druckausgleich in der Kompressionskammer herzustellen, und nach dem Einbringen der Flüssigkeit oder nach dem Einbringen der Flüssigkeit und der zumindest teilweisen Erwärmung der Flüssigkeit das Ventil zu schließen, um nachfolgend bei geschlossenem Ventil während Phasen mit erhöhter Temperatur einen durch Verdampfung bedingten Druckanstieg in der Kompressionskammer (60) durch die D i f fusi onsbarri ere zu reduzieren. 15. The method of claim 13, wherein one of the compression chamber portions (62, 64) is provided with a valve which can be selectively opened to allow venting of the compression chamber (60) or can be closed to vent the compression chamber (60), the method comprising opening the valve during introduction of the liquid to make pressure equalization in the compression chamber, and closing the valve after introduction of the liquid or after introduction of the liquid and at least partial heating of the liquid in order subsequently to reduce an increase in pressure in the compression chamber (60) caused by evaporation by the diffusion barrier when the valve is closed during periods of elevated temperature.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, das ferner ein Rotieren eines Rotationskörpers aufweist, um die Flüssigkeit aus einer Einlasskammer (54) durch Zentrifugalkraft in den ersten Kompressionskammerabschnitt (62) einzubringen und das Gasvolumen zu komprimieren. The method of any one of claims 13 to 15, further comprising rotating a body of revolution to introduce the liquid from an inlet chamber (54) by centrifugal force into the first compression chamber portion (62) and to compress the volume of gas.
1 7. Verfahren nach Anspruch 16, das femer ausgehend von dem Rotieren des Rotationskörpers ein Verringern der die Drehfrequenz der Rotationsfrequenz aufweist, um zu bewirken, dass sich das eingeschlossene Gasvolumen ausdehnt und zumindest Teile der Flüssigkeit über einen Auslassfluidkanal (68) aus der Kompressionskammer (60) in eine Auffangkammer (70) getrieben werden. 7. The method of claim 16, further comprising rotating the rotating body to reduce the rotational frequency of the rotational frequency to cause the trapped gas volume to expand and at least portions of the fluid to escape from the compression chamber via an outlet fluid passage (68). 60) are driven into a collecting chamber (70).
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