WO2015162060A1 - Microfluidic device and method for analysing a sample of biological material - Google Patents

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WO2015162060A1
WO2015162060A1 PCT/EP2015/058354 EP2015058354W WO2015162060A1 WO 2015162060 A1 WO2015162060 A1 WO 2015162060A1 EP 2015058354 W EP2015058354 W EP 2015058354W WO 2015162060 A1 WO2015162060 A1 WO 2015162060A1
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chamber
target molecules
reaction
amplification section
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PCT/EP2015/058354
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Jochen Rupp
Jochen Hoffmann
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Robert Bosch Gmbh
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    • B01L3/502707Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the manufacture of the container or its components

Definitions

  • the present invention relates to a microfluidic device for analyzing a sample of biological material, to a method for
  • PCR polymerase chain reaction
  • a microfluidic device for analyzing a sample of biological material a method for analyzing a sample of biological material, a
  • a system in which amplification reactions, in particular a polymerase chain reaction (PCR), and detection reactions, in particular in a so-called microarray or MArray, can be linked in one component for sample analysis.
  • a spatial, thermal and fluidic separation of the two individual functions can be achieved in order to enable advantageous processing.
  • a microfluidic system with integrated chambers and fluidic connections for carrying out a PCR and a nucleic acid microarray, which is likewise arranged in the microfluidic system, can be provided.
  • a reaction volume of a sample between chambers which may be at different temperatures, for example, a PCR can be carried out.
  • the reaction volume can be brought into contact with the DNA microarray.
  • Probe microarrays interact with strands of a PCR product and fix the same.
  • an improved array PCR can be made possible.
  • Method according to embodiments of the invention in a faster process flow and with a simplified process management are made possible.
  • a shortening of a total duration of a detection of genetic features can be achieved since, according to embodiments of the invention, PCR products can already be defined in a spatially resolved manner during the PCR
  • Time points can be detected.
  • Read reaction or hybridization, with or without washing of the microarray can in this case in particular at different times parallel to or
  • the microfluidic device can also be self-contained during the process, for example, so that no sample volume is removed from the reactions during read-out, which can maximize the sensitivity of the overall system.
  • a fluidic separation of amplification section and detection chamber or readout structure for example, can enable independent fluidic processing of both functional areas, eg. B. Simultaneous washing of the array on continuation of an amplification reaction.
  • Amplification section obstruct an optical path to the microarray.
  • a microfluidic device for analyzing a sample of biological material is presented, wherein the microfluidic device has the following features: an amplification section with at least one reaction chamber for
  • the at least one reaction chamber being configured to permit denaturation of target molecules of the sample, primer hybridization of denatured target molecules of the sample, and elongation of primer-hybridized target molecules of the sample; at least one detection chamber for repeated execution of
  • the microfluidic device may comprise or be part of an analytical system, in particular a microfluidic lab-on-chip system or a chiplabor system for medical diagnostics, microbiological diagnostics or environmental analysis.
  • the microfluidic device may be a chip, in particular with multiple layers, of a polymer material.
  • a liquid to be analyzed typically a liquid or liquefied patient sample, e.g.
  • cells contained in the sample may contain human cells, e.g. As blood cells or the like, animal cells or pathogenic cells or pathogens, eg. As viruses or microorganisms, such as. As bacteria or fungi, comprising DNA and / or RNA, ie nucleic acid molecules, as target molecules.
  • the amplification section and the at least one detection chamber may be arranged spatially and additionally or alternatively fluidly separated from one another in the microfluidic device.
  • the microfluidic device may comprise fluid lines, by means of which the at least one
  • Reaction chamber and the at least one detection chamber fluidly
  • Valves may be arranged in the fluid lines.
  • cells of a sample can be lysed before the PCR and subsequently the DNA can be purified.
  • Amplification section and the at least one detection chamber fluidly connected pumping chamber.
  • Such an embodiment offers the advantage that by means of the pumping chamber a discrete sample volume is particularly simply and effectively repeatedly between the amplification and the at least one detection chamber back and forth can be transferred.
  • Reaction chamber and the at least one detection chamber on respective
  • the tempering means may be configured to temper the at least one reaction chamber to a first temperature and to temper the at least one detection chamber to a second temperature, wherein the first temperature and the second temperature may have different temperature values.
  • Temperature control can have at least one temperature control.
  • the temperature control means may have an associated tempering device for each chamber to be tempered.
  • the temperature control means may be arranged in or on the microfluidic device. Alternatively, the
  • Temperature control means may be arranged separately from the microfluidic device and thermally coupled to the microfluidic device. Such an embodiment offers the advantage that chambers to be tempered can be brought to respective setpoint temperatures for carrying out respective reactions or held in the region thereof. Supported by a spatial separation of the functional areas amplification and detection respectively
  • Auslese can be made possible here a provision of separate heating areas for individual thermal requirements of amplification reactions and detection reactions or readout reactions.
  • the amplification section and the at least one detection chamber can be fluidically connected to one another in a microfluidic network so that a cyclical and / or unidirectional sequence is made possible.
  • the microfluidic network can be closed in this case, wherein an inlet and an outlet can be provided fluidly shut off.
  • Detection chamber be connected to each other via two fluidic paths.
  • Such an embodiment offers the advantage that a repeated transfer of a sample volume between the amplification section and the at least one detection chamber can be further simplified. It can be a
  • Sample volume can be easily circulated.
  • a bypass line connected in parallel with respect to the at least one detection chamber and additionally or alternatively a compensation chamber fluidically connected to the amplification section and the at least one detection chamber may be provided.
  • the compensation chamber may be configured to represent or provide a compensation volume, a fluidic capacity or a throttle function.
  • Embodiment offers the advantage that the microfluidic device can also meet different or changing requirements of sample analyzes.
  • the amplification section may have a plurality of fluidically interconnected reaction chambers. This can be a first
  • Reaction chamber may be formed to allow the denaturation of target molecules of the sample.
  • a second reaction chamber may be formed to allow the primer hybridization of denatured target molecules of the sample.
  • a third reaction chamber may be formed to allow the elongation of primary hybridized target molecules of the sample.
  • the at least one device for transport for repeatedly conveying the sample between the reaction chambers may be formed.
  • the sample or a sample volume can be located both between the reaction chambers and between the amplification section and the at least one
  • reaction chambers may be fluidly connected in series in the amplification section.
  • Embodiment offers the advantage that the sample processing can be further accelerated because, inter alia, each reaction chamber is individually preheated.
  • the method may be advantageously carried out in conjunction with an embodiment of the aforementioned microfluidic device to analyze a sample of biological material.
  • the steps may be repeated for each cycle of the polymerase chain reaction.
  • a detection reaction can be performed at different times in parallel to or during the PCR, thus real-time capability can be achieved with a maximum temporal resolution of up to a single PCR cycle.
  • the approach presented here also provides a device which is designed to implement the steps of a variant of a method presented here
  • a device in the form of a device, the object underlying the invention can be solved quickly and efficiently.
  • a device in the form of a device, the object underlying the invention can be solved quickly and efficiently.
  • a device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon.
  • the device may have an interface, which may be formed in hardware and / or software.
  • the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the device.
  • the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
  • An advantage is also a computer program product with program code, which on a machine-readable carrier such as a semiconductor memory, a
  • Figures 1 to 4 are schematic representations of a microfluidic device with fluid conveying directions according to embodiments of the present invention
  • FIG. 5 is a flowchart of a method for analyzing a sample of biological material according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 6 is a schematic representation of a molecular staining process according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 7 is a diagram showing intensity signals for various amplified and hybridized DNA segments.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a microfluidic device
  • an amplification section 110 three reaction chambers 111, 112 and 113, a first connection channel 114, a second connection channel 115, a pumping chamber 120, one of the microfluidic device 100 are shown
  • Detection chamber 130 or array chamber a compensation chamber 140, an ambient line 150, an inlet 160, an outlet 170, a third
  • the microfluidic device 100 is For example, a so-called chip lab or lab-on-chip (LOC).
  • LOC lab-on-chip
  • the valves 183 and 185 are in the present embodiment in particular without loss of generality equivalent, d. H. always open and close at the same time
  • the amplification section 110 here comprises the three reaction chambers 111, 112 and 113, which comprise a denaturation chamber 111, an elongation chamber 112 and a hybridization chamber 113, as well as the first valve or the first connection channel 114 and the second valve or the second connection channel 115.
  • the first denaturation chamber 111 is fluidically connected to the elongation chamber 112 by means of a fluid line in which the first valve 114 is arranged.
  • the elongation chamber 112 is fluidically connected to the other by means of a further fluid line, in which the second valve 115 is arranged
  • Hybridization chamber 113 connected. Reaction chambers 111, 112, and 113 are configured to undergo a polymerase chain reaction with a plurality of Perform cycles to amplify the sample.
  • the denaturation chamber 111 is designed to perform or permit denaturation of target molecules of the sample.
  • Hybridization chamber 113 is designed to perform primer hybridization of denatured target molecules of the sample.
  • Elongationshunt 112 is formed to a elongation of
  • primerhybridformaten target molecules of the sample perform or to
  • valves are also designed as simple connection channels, that can not be switched to a closed state.
  • the detection chamber 130 is connected to the amplification section 110 fluidically or by means of fluid lines. According to the exemplary embodiment of the present invention illustrated in FIG. 1, the amplification section 110 and the detection chamber 130 are fluidically interconnected in a microfluidic circuit. In this case, the detection chamber 130 is fluidically between the denaturation chamber 111 and the
  • the detection chamber 130 has a microarray or nucleic acid microarray.
  • the detection chamber 130 is designed to repeatedly perform detection reactions on denatured target molecules of the sample from different cycles of the polymerase chain reaction.
  • the pumping chamber 120 is fluidly connected to the amplification section 110 and the detection chamber 130. Specifically, the pumping chamber 120 is fluidly connected between the denaturation chamber 111 and the detection chamber 130.
  • the pumping chamber 120 represents the device for transporting the microfluidic device 100.
  • the at least one device for transport in addition to the pumping chamber 120 may also be located in the reaction chambers 111, 112 and 113 and / or in the detection chamber 130 arranged deflectable membranes for displacing a volume of the sample.
  • the pump chamber 120 or the device for transport is or are designed to repeatedly convey the sample between the amplification section 110 and the detection chamber 130.
  • the pumping chamber 120 is or is at least one Device for transport designed to repeatedly convey the sample between the reaction chambers 111, 112 and 113.
  • the compensation chamber 140 is fluidically connected between the detection chamber 130 and the amplification section 110. More precisely, that is
  • Compensation chamber 140 fluidly connected between the detection chamber 130 and the hybridization chamber 113.
  • the compensation chamber 140 is fluidically connected to the detection chamber 130 and the amplification section 110 or the hybridization chamber 113.
  • the compensation chamber 140 is designed to be a compensation volume, a fluidic capacity or a
  • the bypass line 150 is fluidly connected in parallel with respect to the detection chamber 130.
  • the bypass line 150 extends from a first branch point located between the detection chamber 130 and the
  • Pumping chamber 120 is arranged, to a second branch point, which is arranged between the detection chamber 130 and the compensation chamber 140.
  • the inlet 160 or fluid inlet of the microfluidic device 100 is located between the amplification section 110, more particularly the
  • Denaturation chamber 111 Denaturation chamber 111, and the pumping chamber 120 arranged.
  • the outlet 170 or fluid outlet of the microfluidic device 100 is in the
  • Bypass line 150 is arranged.
  • the third valve or the third connection channel 181 is between the
  • Hybridization chamber 113 and the compensation chamber 140 arranged.
  • the fourth valve 182 is disposed between the equalizing chamber 140 and the second branching point.
  • the fifth valve 183 is disposed between the second branching point and the detection chamber 130.
  • Valve 184 is disposed in the bypass 150 between the outlet 170 and the first branch point.
  • the seventh valve 185 is disposed between the detection chamber 130 and the first branching point.
  • the eighth valve 186 is disposed between the first branching point and the pumping chamber 120.
  • the ninth valve 187 is between the pumping chamber 120 and the Inlet 160 arranged.
  • the valves / connection channels 114, 115, 181, 182, 183, 184, 185, 186 and 187 are, for example, as diaphragm valves or
  • the microfluidic circuit or a fluidic circuit or sequence within the microfluidic device 100 has the inlet 160, the denaturation chamber 111, the first valve according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 as well as with reference to the illustration in FIG 114, the elongation chamber 112, the second valve 115, the hybridization chamber 113, the third valve 181, the
  • the first fluid conveying direction A in this case runs clockwise from the
  • Fluid conveying direction B runs counterclockwise from the
  • Fluid conveying directions A and B will be discussed in more detail below.
  • FIG. 1 shows a fluidic structure of the FIG.
  • the structure comprises the three reaction chambers 111, 112 and 113, in which, with alternate fluid or liquid transport of a liquid
  • the microfluidic device 100 here comprises the pumping chamber 120 and a fluidic path which includes the detection chamber 130 or array chamber with a nucleic acid microarray therein.
  • a reaction volume by means of the pumping chamber 120 in the detection chamber 130 can be introduced to determine a course of the reaction and a composition of the sample, so perform a detection reaction.
  • the microfluidic device 100 has two fluidic paths to the areas of amplification and
  • the reaction chambers 111, 112 and 113 and the detection chamber 130 can each have, as a device for transport, an elastic membrane which can be deflected into the respective chamber.
  • Volume displacement can be liquid volumes in a connected to the respective chamber microfluidic channel and / or relocate to another chamber. Although it is likewise not explicitly shown in FIG. 1, different regions of the microfluidic device 100, in particular the reaction chambers 111, 112 and 113 and the detection chamber 130, are through
  • Temperature control to temperature target temperatures In other words, the reaction chambers 111, 112 and 113 and the detection chamber 130, for example, by heaters, z. B. in the microfluidic device 100 integrated or externally applied heater to be locally tempered. As a result, the respective regions can be exposed to different temperatures, which are required, for example, by a biochemical detection reaction or polymerase chain reaction (PCR).
  • PCR polymerase chain reaction
  • a combined amplification and detection reaction is defined in particular by fluidic, thermal and biochemical protocols.
  • a sample solution in a PCR mix in the denaturation chamber 111 becomes
  • the area of the denaturation chamber 111 is tempered for a denaturation step, for example to temperatures between 90 degrees Celsius and 98 degrees Celsius.
  • the sample solution is typically allowed to linger in the denaturation chamber 111 for between 2 and 60 seconds.
  • Hybridization chamber 113 transferred.
  • the area of the hybridization chamber 113 is tempered, for example, to temperatures between 45 degrees Celsius and 72 degrees Celsius.
  • the sample solution is for this so-called Annealing step typically between 2 and 60 seconds in the
  • Hybridization chamber 113 allowed to rest.
  • the sample volume is transferred into the elongation chamber 112.
  • the region of the elongation chamber 112 is tempered, for example, to temperatures between 68 degrees Celsius and 76 degrees Celsius.
  • the sample solution is allowed to remain in the elongation chamber 112 for typically between 10 and 120 seconds for this so-called elongation step.
  • These steps are usually carried out cyclically for the polymerase chain reaction, for example, between 10 and 40 times.
  • the reaction volume is cyclically brought into contact with the microarray in the detection chamber 130.
  • the sample is introduced into the detection chamber 130 after a denaturation step carried out in the denaturation chamber 111. This will allow that
  • molten PCR product strands interact with probes of the microarray disposed in the detection chamber 130, and in the case of
  • Complementarity of nucleic acid sequences can be fixed by the probes. For example, these steps are cycled between 1 and 40 times.
  • Fluid conveying direction B via the same path in the opposite direction via the reaction chambers 113 and 112 back into the Denaturierungshunt 111 or promoted.
  • Detection chamber 130 thus takes place, for example, between once and 40 times.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the microfluidic device 100 from FIG. 1 with a different sequence of the fluid conveying directions A and B.
  • the illustration in FIG. 2 also corresponds to the illustration from FIG. 1 with the exception of the fluid conveying directions A and B. According to FIG. 2
  • Fluid conveying direction B promoted or transferred into the pumping chamber 120 and conveyed from there into the detection chamber 130 or introduced. Thereafter, the sample volume along the first fluid conveying direction A via the same path via the pumping chamber 120 directly into the denaturation 111
  • Detection chamber 130 thus takes place, for example, between once and 40 times.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the microfluidic device 100 from FIG. 1 or FIG. 2 with only the first fluid conveying direction A.
  • the representation in FIG. 3 also corresponds to the illustration from FIG. 1 or FIG. 2, with the exception of FIG only one, here the first fluid conveying direction A.
  • the sample volume after the 10 to 40 cycles of the amplification reaction after denaturing in the denaturation chamber 111 along the first fluid conveying direction A via the reaction chambers 112 and 113 conveyed or introduced into the detection chamber 130. Thereafter, the sample volume is further conveyed or transferred along the first fluid conveying direction A by means of the pumping chamber 120 directly back into the denaturation chamber 111. Feeding the volumes back and forth over the described
  • the path between the denaturation chamber 111 and the detection chamber 130 thus occurs, for example, between once and 40 times.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the microfluidic device 100 from FIG. 1, FIG. 2 or FIG. 3 with only the second fluid conveying direction B.
  • FIG. 4 also corresponds to the illustration from FIG. 1, FIG. 2 or FIG. 3, with the exception of only one, here the second one
  • Fluid Delivery Direction B According to the embodiment of the present invention shown in Fig. 4, the sample volume after the 10 to 40 cycles of the amplification reaction after denaturing in the Denaturation chamber 111 along the second fluid conveying direction B in the pumping chamber 120 promoted or transferred and from there into the
  • Detection chamber 130 promoted or initiated. After that it will be
  • Detection chamber 130 thus takes place, for example, between once and 40 times.
  • Embodiments of the present invention received.
  • Microarray chamber a washing solution are rinsed while the sample volume is in one of the reaction chambers 111, 112 and 113.
  • substances which inhibit readout reaction such as fluorophores, can be washed away.
  • the rinse solution may be a PCR buffer, which may comprise, for example, all the components mentioned in the previous section.
  • the PCR buffer does not comprise primers. If such a rinse solution is rinsed into the detection chamber 130 and typically lingers there for between 1 and 60 seconds, the microarray probes will be in the
  • the microfluidic device 100 is formed, for example, from polymer substrates. In the polymer substrates, features of the microfluidic device 100 may be formed, for example, by milling, injection molding, hot stamping or laser structuring.
  • the microarray of the detection chamber 130 can either be formed directly in the polymer or as an insert, For example, made of glass, be incorporated into the polymer layer structure.
  • Material examples include for such a polymer substrate in particular thermoplastics, for. PC, PP, PE, PMMA, COP, COC, PEEK or the like, for a polymer membrane usable for the valves 114, 115, 181, 182, 183, 184, 185, 186 and 187 and the device for transportation especially elastomer, thermoplastic elastomer, TPU, TPS, thermoplastics,
  • Hot-adhesive films sealing films for microtiter plates, latex or the like.
  • An exemplary biomolecule formation comprises 5 to 100 nucleotide probe lengths, thiol group linker molecules,
  • Amino groups gold, Glutharaldehyde, Acrydite TM or the like, which are connected for example via a carbon chain with the probe, PCR primer having a length between 5 and 100 nucleotides, wherein a
  • Melting temperature of the two primers can differ greatly, hot-start polymerases, proof reading polymerases, etc. as polymerases and a diameter of a spot from 1 to 500 microns.
  • Exemplary dimensions of the microfluidic device 100 include a
  • Thickness of a polymer substrate from 0.5 mm to 5 mm, a
  • Polymer membrane are between 0.2 bar and 2 bar.
  • FIG. 5 shows a flowchart of a method 500 for analyzing a sample of biological material according to an embodiment of the invention
  • the method 500 may be described in conjunction with
  • microfluidic device such as one of
  • the method 500 includes a step 510 of performing a denaturation of target molecules of the sample as a substep of a polymerase chain reaction.
  • the step 510 of performing is in one
  • Amplification section of a microfluidic device having at least one reaction chamber for carrying out a polymerase chain reaction with a
  • the method 500 includes a step 520 of conveying the sample from the amplification section into at least one of fluidically
  • Amplification section connected detection chamber Also, that shows
  • Method 500 includes a step 530 of performing detection reactions on denatured target molecules of the sample in the at least one detection chamber.
  • the method 500 includes a step 540 of returning the sample from the at least one detection chamber into the amplification section. Subsequently, the method 500 includes a step 550 of effecting primer hybridization of denatured target molecules of the returned sample and elongation of primed hybridized target molecules of the returned sample in the amplification section.
  • steps 510 to 550 are repeated or re-executed in each cycle of the polymerase chain reaction.
  • the method 500 further comprises a step 560 of completing a molecular staining process of
  • Step 560 of completing the molecular staining process will be described below in particular
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a molecular staining process 600 or staining principle of primer-hybridized target molecules according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the molecular staining process 600 is, for example, in the step of completing according to the method Fig. 5 completed.
  • Fig. 6 are a first partial view A, a second
  • first partial view A a product strand 601 and biotin
  • Desoxvuridine triphosphates 602 and biotin-dUTPs respectively.
  • a PCR reaction mix also contains biotin-dUTPs 602.
  • these particular nucleotides i.e. H. the biotin-dUTPs 602, during the reaction or PCR in the
  • Product strand 601 installed.
  • a strand 604 connected to a probe of a microarray 603 with built-in biotin dUTPs 602 is shown.
  • the third partial view C hereby corresponds to the second partial view B, with the exception that additionally streptavidin-conjugated fluorescence molecules 605 or streptavidin molecules are shown.
  • the strand 604 connected to the probe of the microarray 603 is fluorescently stained.
  • a rinsing or staining solution in a binding buffer contains the streptavidin-conjugated fluorescence molecules 605.
  • the streptavidin-conjugated fluorescence molecules 605 bind to the biotin-dUTPs 602 or biotin molecules and thus mark biotin-containing PCR product bound to the probe of the microarray 603.
  • an amount of dUTPs used in the PCR is an amount of dUTPs used in the PCR, a length of PCR
  • a PCR reaction mix can only contain biotin-dUTPs, but not deoxythymidine triphosphates or dTTPs.
  • biotin-dUTPs and dTTPs are used at a ratio of five to one to one to five.
  • uridine triphosphates or UTPs can also be used in the ratio x: y: z, where x, y, z are the numbers between one and six in all
  • Amplification be made unusable in another PCR. This is an advantageous biochemical measure to combat a series of DNA contaminations.
  • a reagent which contains sodium phosphate buffer in one
  • Tween 80 or Tween 20 may be added.
  • fluorescence-conjugated streptavidin 605 is added, for example, in concentrations of 0.1 to 100 micrograms per milliliter, advantageously from 1 to 10 micrograms per milliliter.
  • a duration of staining can be between 0.1 and 30
  • Hybridization be added directly or after an upstream washing step on the microarray 603.
  • Advantage of direct addition is that one
  • Washing step can be saved and thus results in a saving of time and reagents. After staining is done either with a
  • washing solution or washed successively with two washings.
  • the following parameters can be used: 100 millimoles, sodium phosphate buffer, pH 7.2, between 0.1 and 10 minutes
  • the microarray 603 is either blown dry or read out with a membrane pressed onto the surface. In other words, a method is provided in which the on the
  • Microarray 603 DNA sections attached after hybridization are molecularly stained. This allows the won
  • Fluorophores accumulate on a two-dimensional surface to provide well-detectable signals against the background.
  • a microfluidic procedure with chemical reagents is presented to attach additional fluorophores to DNA sections attached to a microarray 603.
  • the sensitivity of a microarray 603 can be increased without adapting the microarray, for example, to probe design, binding chemistry,
  • microarrays 603 can be improved because a number of fluorophores per bound DNA segment can be increased, for example, more than doubled.
  • a suitable microfluidic process it is also possible to enable signals to be amplified by molecular staining in subsections of the hybridization, thereby enabling read-out during the reaction. This is cost-effective, since in particular fluorescently labeled primers can be dispensed with.
  • Polymer substrates may, for example, be patterned appropriately by milling, injection molding, hot stamping or laser structuring to allow implementation of the method.
  • the microarray 603 can be either directly in
  • Polymer be formed or introduced as an insert, for example made of glass in the polymer layer structure.
  • Figure 7 shows a bar graph 700 with intensity signals for various amplified and hybridized DNA segments.
  • the different amplified and hybridized DNA sections are plotted on an abscissa axis of the bar graph 700 and plotted on an ordinate axis of the column
  • Column chart 700 is a count in counts applied. In particular, signal amplification by staining with streptavidin-Cy3 D24 is also shown. For each DNA segment analyzed, three intensity signals or signals 710, 720, 730 are recorded. A first signal 710 represents a stained microarray, a second signal 720
  • first signals 710 are higher than a detection limit defined at 1000 counters than second signals 720.
  • an exemplary embodiment comprises an "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

Abstract

The invention relates to a microfluidic device (100) for analysing a sample of biological material. The microfluidic device (100) has an amplification section (110) having at least one reaction chamber (111, 112, 113) for conducting a polymerase chain reaction having a multitude of cycles for an amplification of the sample. In this device, the at least one reaction chamber (111, 112, 113) is formed in order to enable denaturing of target molecules of the sample, primer hybridization of denatured target molecules of the sample, and elongation of primer-hybridized target molecules of the sample. The microfluidic device (100) also has at least one detection chamber (130) for repeated execution of detection reactions on denatured target molecules of the sample from different cycles of the polymerase chain reaction. In this case, the at least one detection chamber (130) is connected for fluidic purposes to the amplification section (110). In addition, the microfluidic apparatus (100) has at least one device for transport (120) for repeated conveying of the sample between the amplification section (110) and the at least one detection chamber (130).

Description

Beschreibung  description
Titel title
Mikrofluidische Vorrichtung sowie Verfahren zum Analysieren einer Probe biologischen Materials  Microfluidic device and method for analyzing a sample of biological material
Stand der Technik State of the art
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine mikrofluidische Vorrichtung zum Analysieren einer Probe biologischen Materials, auf ein Verfahren zum The present invention relates to a microfluidic device for analyzing a sample of biological material, to a method for
Analysieren einer Probe biologischen Materials, auf eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um alle Schritte eines solchen Verfahrens durchzuführen und/oder anzusteuern, auf ein entsprechendes Computerprogramm sowie auf ein entsprechendes Speichermedium. Üblicherweise wird bei mikrofluidischen Diagnosesystemen, wie z. B. Lab-on-Analyzing a sample of biological material, on a device which is designed to perform and / or to control all steps of such a method, to a corresponding computer program and to a corresponding storage medium. Usually, in microfluidic diagnostic systems, such. B. Lab on
Chip-Systemen bzw. LOC-Systemen, ein zu untersuchendes Probenmaterial zunächst mittels Polymerase- Kettenreaktion (PCR, Polymerase chain reaction) amplifiziert und anschließend auf einem Mikroarray analysiert. Die Chip systems or LOC systems, a sample to be examined first amplified by means of polymerase chain reaction (PCR, polymerase chain reaction) and then analyzed on a microarray. The
DE 10 2009 035 270 AI beschreibt einen Einweg-Multiplex-Polymerase- Kettenreaktions-Chip und ein Polymerase- Kettenreaktionsgerät. DE 10 2009 035 270 A1 describes a one-way multiplex polymerase chain reaction chip and a polymerase chain reaction device.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine mikrofluidische Vorrichtung zum Analysieren einer Probe biologischen Materials, ein Verfahren zum Analysieren einer Probe biologischen Materials, eine Against this background, with the approach presented here, a microfluidic device for analyzing a sample of biological material, a method for analyzing a sample of biological material, a
Vorrichtung, die ausgebildet ist, um alle Schritte eines solchen Verfahrens durchzuführen und/oder anzusteuern, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Device that is designed to perform and / or control all steps of such a method, a corresponding computer program and a corresponding storage medium according to the main claims presented. Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann insbesondere ein System bereitgestellt werden, bei dem zur Probenanalyse Amplifikationsreaktionen, insbesondere eine Polymerase- Kettenreaktion (PCR), und Nachweisreaktionen, insbesondere in einem sogenannten Mikroarray bzw. MArray, in einem Bauteil verknüpft sein können. So kann beispielsweise eine räumliche, thermische und fluidische Trennung beider Einzelfunktionen erreicht werden, um eine vorteilhafte Prozessierung zu ermöglichen. Bereitgestellt werden kann insbesondere ein mikrofluidisches System mit integrierten Kammern und fluidischen Verbindungen für eine Durchführung einer PCR und einem Nukleinsäure-Mikroarray, das ebenfalls in dem mikrofluidischen System angeordnet ist. Durch wiederholtes Fördern bzw. Hin- und Herbewegen eines Reaktionsvolumens einer Probe zwischen Kammern, die sich beispielsweise auf unterschiedlichen Temperaturen befinden können, kann eine PCR durchgeführt werden. Während dieser PCR kann das Reaktionsvolumen mit dem DNA-Mikroarray in Kontakt gebracht werden. Dabei können beispielsweise immobilisierte Oligonukleotide bzw. According to embodiments of the invention, in particular a system can be provided in which amplification reactions, in particular a polymerase chain reaction (PCR), and detection reactions, in particular in a so-called microarray or MArray, can be linked in one component for sample analysis. Thus, for example, a spatial, thermal and fluidic separation of the two individual functions can be achieved in order to enable advantageous processing. In particular, a microfluidic system with integrated chambers and fluidic connections for carrying out a PCR and a nucleic acid microarray, which is likewise arranged in the microfluidic system, can be provided. By repeatedly conveying or reciprocating a reaction volume of a sample between chambers, which may be at different temperatures, for example, a PCR can be carried out. During this PCR, the reaction volume can be brought into contact with the DNA microarray. In this case, for example, immobilized oligonucleotides or
Sonden des Mikroarrays mit Strängen eines PCR-Produkts wechselwirken und dieselben fixieren. Probe microarrays interact with strands of a PCR product and fix the same.
Vorteilhafterweise kann gemäß Ausführungsformen der Erfindung eine verbesserte Array-PCR ermöglicht werden. So kann beispielsweise eine miniaturisierte und integrierte Durchführung komplexer fluidischer Arbeitsabläufe für den spezifischen Nachweis verschiedenster Moleküle mittels Strukturen undAdvantageously, according to embodiments of the invention, an improved array PCR can be made possible. For example, a miniaturized and integrated implementation of complex fluidic workflows for the specific detection of various molecules by means of structures and
Verfahren gemäß Ausführungsformen der Erfindung bei einem schnelleren Prozessablauf und mit einer vereinfachten Prozessführung ermöglicht werden. Es kann insbesondere eine Verkürzung einer Gesamtdauer eines Nachweises von genetischen Merkmalen erreicht werden, da gemäß Ausführungsformen der Erfindung PCR-Produkte bereits während der PCR ortsaufgelöst zu definierbarenMethod according to embodiments of the invention in a faster process flow and with a simplified process management are made possible. In particular, a shortening of a total duration of a detection of genetic features can be achieved since, according to embodiments of the invention, PCR products can already be defined in a spatially resolved manner during the PCR
Zeitpunkten detektierbar sein können. Eine Nachweisreaktion bzw. Time points can be detected. A detection reaction or
Auslesereaktion bzw. Hybridisierung, mit oder ohne Waschen des Mikroarrays, kann hierbei insbesondere zu verschiedenen Zeitpunkten parallel zu bzw. Read reaction or hybridization, with or without washing of the microarray, can in this case in particular at different times parallel to or
während der sonst zeitlich vorgeschalteten PCR erfolgen. Damit kann eine Echtzeit- Fähigkeit erzielt werden. Es ergibt sich vorteilhafterweise eine maximale zeitliche Auflösung von bis zu einem einzigen PC R-Zyklus. Die mikrofluidische Vorrichtung kann ferner beispielsweise während der Prozessabläufe in sich abgeschlossen sein, sodass den Reaktionen beim Auslesen kein Probenvolumen entzogen wird, was eine Sensitivität des Gesamtsystems maximieren kann. Eine fluidische Trennung von Amplifikationsabschnitt und Nachweiskammer bzw. Auslesestruktur beispielsweise kann eine unabhängige fluidische Prozessierung beider Funktionsbereiche ermöglichen, z. B. gleichzeitiges Waschen des Arrays bei Weiterführung einer Amplifikationsreaktion. Eine räumliche Trennung von Amplifikationsabschnitt und Nachweiskammer bzw. Auslesestruktur during the otherwise upstream PCR done. This allows real-time capability to be achieved. It results advantageously a maximum temporal resolution up to a single PC R cycle. The microfluidic device can also be self-contained during the process, for example, so that no sample volume is removed from the reactions during read-out, which can maximize the sensitivity of the overall system. A fluidic separation of amplification section and detection chamber or readout structure, for example, can enable independent fluidic processing of both functional areas, eg. B. Simultaneous washing of the array on continuation of an amplification reaction. A spatial separation of amplification section and detection chamber or readout structure
beispielsweise kann einen einfachen optischen Zugang zu den Signalen des Mikroarrays ermöglichen, da keine Heizelemente oder dergleichen des for example, can provide a simple optical access to the signals of the microarray, since no heating elements or the like
Amplifikationsabschnitts einen optischen Weg zum Mikroarray versperren. Amplification section obstruct an optical path to the microarray.
Es wird eine mikrofluidische Vorrichtung zum Analysieren einer Probe biologischen Materials vorgestellt, wobei die mikrofluidische Vorrichtung folgende Merkmale aufweist: einen Amplifikationsabschnitt mit zumindest einer Reaktionskammer zum A microfluidic device for analyzing a sample of biological material is presented, wherein the microfluidic device has the following features: an amplification section with at least one reaction chamber for
Durchführen einer Polymerase- Kettenreaktion mit einer Mehrzahl von Zyklen für eine Amplifikation der Probe, wobei die zumindest eine Reaktionskammer ausgebildet ist, um eine Denaturierung von Zielmolekülen der Probe, eine Primerhybridisierung von denaturierten Zielmolekülen der Probe und eine Elongation von primerhybridisierten Zielmolekülen der Probe zu ermöglichen; zumindest eine Nachweiskammer zum wiederholten Ausführen von Performing a polymerase chain reaction having a plurality of cycles for amplification of the sample, the at least one reaction chamber being configured to permit denaturation of target molecules of the sample, primer hybridization of denatured target molecules of the sample, and elongation of primer-hybridized target molecules of the sample; at least one detection chamber for repeated execution of
Nachweisreaktionen an denaturierten Zielmolekülen der Probe aus Detection reactions on denatured target molecules of the sample
unterschiedlichen Zyklen der Polymerase- Kettenreaktion, wobei die zumindest eine Nachweiskammer fluidisch mit dem Amplifikationsabschnitt verbunden ist; und zumindest eine Vorrichtung zum Transport / Förderung zum wiederholten Fördern der Probe zwischen dem Amplifikationsabschnitt und der zumindest einen Nachweiskammer. Die mikrofluidische Vorrichtung kann ein analytisches System aufweisen oder ein Teil desselben sein, insbesondere ein mikrofluidisches Lab-on-Chip-System bzw. Chiplabor-System zur medizinischen Diagnostik, mikrobiologischen Diagnostik oder Umweltanalytik. Bei der mikrofluidischen Vorrichtung kann es sich um einen Chip, insbesondere mit mehreren Schichten, aus einem Polymermaterial handeln. Als Probe kann eine zu analysierende Flüssigkeit, typischerweise eine flüssige oder verflüssigte Patientenprobe, z. B. Blut, Urin, Stuhl, Sputum, Liquor, Lavage, ein ausgespülter Abstrich oder eine verflüssigte Gewebeprobe, oder eine Probe eines nichtmenschlichen Materials bezeichnet werden. In der Probe enthaltene Zellen können beispielsweise menschliche Zellen, z. B. Blutzellen oder dergleichen, tierische Zellen oder pathogene Zellen bzw. Pathogene, z. B. Viren oder Mikroorganismen, wie z. B. Bakterien oder Pilze, umfassen, die DNA und/oder RNA, d. h. Nukleinsäuremoleküle, als Zielmoleküle aufweisen. Der Amplifikationsabschnitt und die zumindest eine Nachweiskammer können räumlich und zusätzlich oder alternativ fluidisch voneinander getrennt in der mikrofluidischen Vorrichtung angeordnet sein. Die mikrofluidische Vorrichtung kann Fluidleitungen aufweisen, mittels derer die zumindest eine different cycles of the polymerase chain reaction, wherein the at least one detection chamber is fluidically connected to the amplification section; and at least one transporting / conveying device for repeatedly conveying the sample between the amplifying section and the at least one detection chamber. The microfluidic device may comprise or be part of an analytical system, in particular a microfluidic lab-on-chip system or a chiplabor system for medical diagnostics, microbiological diagnostics or environmental analysis. The microfluidic device may be a chip, in particular with multiple layers, of a polymer material. As the sample, a liquid to be analyzed, typically a liquid or liquefied patient sample, e.g. Blood, urine, stool, sputum, cerebrospinal fluid, lavage, a flushed swab or liquefied tissue sample, or a sample of a non-human material. For example, cells contained in the sample may contain human cells, e.g. As blood cells or the like, animal cells or pathogenic cells or pathogens, eg. As viruses or microorganisms, such as. As bacteria or fungi, comprising DNA and / or RNA, ie nucleic acid molecules, as target molecules. The amplification section and the at least one detection chamber may be arranged spatially and additionally or alternatively fluidly separated from one another in the microfluidic device. The microfluidic device may comprise fluid lines, by means of which the at least one
Reaktionskammer und die zumindest eine Nachweiskammer fluidisch Reaction chamber and the at least one detection chamber fluidly
miteinander verbunden sind. In den Fluidleitungen können Ventile angeordnet sein. Insbesondere können für einen korrekten Analysenablauf Zellen einer Probe vor der PCR zu lysieren und im Anschluss daran die DNA aufgereinigt werden. connected to each other. Valves may be arranged in the fluid lines. In particular, for a correct analysis procedure, cells of a sample can be lysed before the PCR and subsequently the DNA can be purified.
Gemäß einer Ausführungsform kann die zumindest eine Vorrichtung zum According to one embodiment, the at least one device for the
Transport in der zumindest einen Reaktionskammer und zusätzlich oder alternativ in der zumindest einen Nachweiskammer angeordnete, auslenkbareTransport in the at least one reaction chamber and additionally or alternatively in the at least one detection chamber arranged, deflectable
Membranen zum Verdrängen eines Volumens der Probe aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass sich durch direkte Volumenverdrängung Flüssigkeitsvolumina in einen an die jeweilige Kammer angeschlossenen mikrofluidischen Kanal oder in eine andere Kammer definiert und unkompliziert umlagern lassen. Have membranes for displacing a volume of the sample. Such an embodiment offers the advantage that liquid volumes can be defined in a microfluidic channel connected to the respective chamber or in another chamber by direct volume displacement and can be easily relocated.
Auch kann die zumindest eine Vorrichtung zum Transport eine mit dem Also, the at least one device for transport with the
Amplifikationsabschnitt und der zumindest einen Nachweiskammer fluidisch verbundene Pumpkammer aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass mittels der Pumpkammer ein diskretes Probenvolumen besonders einfach und wirksam wiederholt zwischen dem Amplifikationsabschnitt und der zumindest einen Nachweiskammer hin und her transferiert werden kann. Amplification section and the at least one detection chamber fluidly connected pumping chamber. Such an embodiment offers the advantage that by means of the pumping chamber a discrete sample volume is particularly simply and effectively repeatedly between the amplification and the at least one detection chamber back and forth can be transferred.
Ferner können Temperiermittel zum Temperieren der zumindest einen Furthermore, tempering for tempering the at least one
Reaktionskammer und der zumindest einen Nachweiskammer auf jeweiligeReaction chamber and the at least one detection chamber on respective
Zieltemperaturen vorgesehen sein. Dabei können die Temperiermittel ausgebildet sein, um die zumindest eine Reaktionskammer auf eine erste Temperatur zu temperieren und um die zumindest eine Nachweiskammer auf eine zweite Temperatur zu temperieren, wobei die erste Temperatur und die zweiten Temperatur unterschiedliche Temperaturwerte aufweisen können. DieTarget temperatures can be provided. In this case, the tempering means may be configured to temper the at least one reaction chamber to a first temperature and to temper the at least one detection chamber to a second temperature, wherein the first temperature and the second temperature may have different temperature values. The
Temperiermittel können zumindest eine Temperiereinrichtung aufweisen. Die Temperiermittel können für jede zu temperierende Kammer eine zugeordnete Temperiereinrichtung aufweisen. Die Temperiermittel können in oder an der mikrofluidischen Vorrichtung angeordnet sein. Alternativ können die Temperature control can have at least one temperature control. The temperature control means may have an associated tempering device for each chamber to be tempered. The temperature control means may be arranged in or on the microfluidic device. Alternatively, the
Temperiermittel getrennt von der mikrofluidischen Vorrichtung angeordnet und thermisch mit der mikrofluidischen Vorrichtung gekoppelt sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass zu temperierende Kammern auf jeweilige Solltemperaturen zum Durchführen jeweiligen Reaktionen gebracht bzw. im Bereich derselben gehalten werden können. Unterstützt durch eine räumliche Trennung der Funktionsbereiche Amplifikation und Nachweis bzw.Temperature control means may be arranged separately from the microfluidic device and thermally coupled to the microfluidic device. Such an embodiment offers the advantage that chambers to be tempered can be brought to respective setpoint temperatures for carrying out respective reactions or held in the region thereof. Supported by a spatial separation of the functional areas amplification and detection respectively
Auslese kann hierbei eine Bereitstellung von separaten Heizbereichen für individuelle thermische Anforderungen von Amplifikationsreaktionen und Nachweisreaktionen bzw. Auslesereaktionen ermöglicht werden. Gemäß einer Ausführungsform können der Amplifikationsabschnitt und die zumindest eine Nachweiskammer in einem mikrofluidischen Netzwerk fluidisch miteinander verbunden sein sodass ein zyklischer und/oder unidirektionale Ablauf ermöglicht wird. Das mikrofluidische Netzwerk kann hierbei geschlossen sein, wobei ein Einlass sowie ein Auslass fluidisch absperrbar vorgesehen sein können. Hierbei können der Amplifikationsabschnitt und die zumindest eineAuslese can be made possible here a provision of separate heating areas for individual thermal requirements of amplification reactions and detection reactions or readout reactions. According to one embodiment, the amplification section and the at least one detection chamber can be fluidically connected to one another in a microfluidic network so that a cyclical and / or unidirectional sequence is made possible. The microfluidic network can be closed in this case, wherein an inlet and an outlet can be provided fluidly shut off. In this case, the amplification section and the at least one
Nachweiskammer über zwei fluidische Pfade miteinander verbunden sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein wiederholter Transfer eines Probenvolumens zwischen dem Amplifikationsabschnitt und der zumindest einen Nachweiskammer weiter vereinfacht werden kann. Dabei kann ein Detection chamber be connected to each other via two fluidic paths. Such an embodiment offers the advantage that a repeated transfer of a sample volume between the amplification section and the at least one detection chamber can be further simplified. It can be a
Probenvolumen unkompliziert im Kreislauf gefördert werden. Dabei kann eine bezüglich der zumindest einen Nachweiskammer parallel geschaltete Umgehungsleitung und zusätzlich oder alternativ eine mit dem Amplifikationsabschnitt und der zumindest einen Nachweiskammer fluidisch verbundene Ausgleichskammer vorgesehen sein. Die Ausgleichskammer kann ausgebildet sein, um ein Ausgleichsvolumen, eine fluidische Kapazität bzw. eine Drosselfunktion zu repräsentieren oder bereitzustellen. Eine solche Sample volume can be easily circulated. In this case, a bypass line connected in parallel with respect to the at least one detection chamber and additionally or alternatively a compensation chamber fluidically connected to the amplification section and the at least one detection chamber may be provided. The compensation chamber may be configured to represent or provide a compensation volume, a fluidic capacity or a throttle function. Such
Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die mikrofluidische Vorrichtung auch unterschiedlichen oder wechselnden Anforderungen von Probenanalysen gerecht werden kann. Embodiment offers the advantage that the microfluidic device can also meet different or changing requirements of sample analyzes.
Auch kann der Amplifikationsabschnitt eine Mehrzahl von fluidisch miteinander verbundenen Reaktionskammern aufweist. Hierbei kann eine erste Also, the amplification section may have a plurality of fluidically interconnected reaction chambers. This can be a first
Reaktionskammer ausgebildet sein, um die Denaturierung von Zielmolekülen der Probe zu ermöglichen. Dabei kann eine zweite Reaktionskammer ausgebildet sein, um die Primerhybridisierung von denaturierten Zielmolekülen der Probe zu ermöglichen. Ferner kann eine dritte Reaktionskammer ausgebildet sein, um die Elongation von primerhybridisierten Zielmolekülen der Probe zu ermöglichen. Dabei kann die zumindest eine Vorrichtung zum Transport zum wiederholten Fördern der Probe zwischen den Reaktionskammern ausgebildet sein. Somit kann die Probe bzw. ein Probevolumen sowohl zwischen den Reaktionskammern als auch zwischen dem Amplifikationsabschnitt und der zumindest einen Reaction chamber may be formed to allow the denaturation of target molecules of the sample. In this case, a second reaction chamber may be formed to allow the primer hybridization of denatured target molecules of the sample. Furthermore, a third reaction chamber may be formed to allow the elongation of primary hybridized target molecules of the sample. In this case, the at least one device for transport for repeatedly conveying the sample between the reaction chambers may be formed. Thus, the sample or a sample volume can be located both between the reaction chambers and between the amplification section and the at least one
Nachweiskammer gefördert werden. Die Reaktionskammern können in dem Amplifikationsabschnitt fluidisch in Reihe geschaltet sein. Eine solche Detection chamber be promoted. The reaction chambers may be fluidly connected in series in the amplification section. Such
Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Probenbearbeitung weiter beschleunigt werden kann, da unter anderem jede Reaktionskammer individuell vortemperierbar ist. Embodiment offers the advantage that the sample processing can be further accelerated because, inter alia, each reaction chamber is individually preheated.
Ferner wird ein Verfahren zum Analysieren einer Probe biologischen Materials vorgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Furthermore, a method for analyzing a sample of biological material is presented, the method comprising the following steps:
Durchführen einer Denaturierung von Zielmolekülen der Probe als Teilschritt einer Polymerase- Kettenreaktion in einem Amplifikationsabschnitt einer mikrofluidischen Vorrichtung mit zumindest einer Reaktionskammer zum Durchführen einer Polymerase- Kettenreaktion mit einer Mehrzahl von Zyklen für eine Amplifikation der Probe; Performing a denaturation of target molecules of the sample as a part of a polymerase chain reaction in an amplification section of a microfluidic device with at least one reaction chamber for Conducting a polymerase chain reaction with a plurality of cycles for amplification of the sample;
Fördern der Probe von dem Amplifikationsabschnitt in zumindest eine fluidisch mit dem Amplifikationsabschnitt verbundene Nachweiskammer; Conveying the sample from the amplification section into at least one detection chamber fluidically connected to the amplification section;
Ausführen von Nachweisreaktionen an denaturierten Zielmolekülen der Probe in der zumindest einen Nachweiskammer; Performing detection reactions on denatured target molecules of the sample in the at least one detection chamber;
Zurückfördern der Probe aus der zumindest einen Nachweiskammer in den Amplifikationsabschnitt; und Returning the sample from the at least one detection chamber into the amplification section; and
Bewirken einer Primerhybridisierung von denaturierten Zielmolekülen der Probe und einer Elongation von primerhybridisierten Zielmolekülen der Probe in dem Amplifikationsabschnitt. Effecting primer hybridization of denatured target molecules of the sample and elongation of primer-hybridized target molecules of the sample in the amplification section.
Das Verfahren kann in Verbindung mit einer Ausführungsform der vorstehend genannten mikrofluidischen Vorrichtung vorteilhaft ausgeführt werden, um eine Probe biologischen Materials zu analysieren. The method may be advantageously carried out in conjunction with an embodiment of the aforementioned microfluidic device to analyze a sample of biological material.
Gemäß einer Ausführungsform können die Schritte für jeden Zyklus der Polymerase- Kettenreaktion wiederholt werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Nachweisreaktion zu verschiedenen Zeitpunkten parallel zu bzw. während der PCR erfolgen kann, womit eine Echtzeit- Fähigkeit mit einer maximalen zeitlichen Auflösung von bis zu einem einzigen PCR-Zyklus erzielt werden kann. In one embodiment, the steps may be repeated for each cycle of the polymerase chain reaction. Such an embodiment offers the advantage that a detection reaction can be performed at different times in parallel to or during the PCR, thus real-time capability can be achieved with a maximum temporal resolution of up to a single PCR cycle.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in The approach presented here also provides a device which is designed to implement the steps of a variant of a method presented here
entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. to implement, control or implement appropriate facilities. Also by this embodiment of the invention in the form of a device, the object underlying the invention can be solved quickly and efficiently. In the present case, a device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon. The device may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. In the case of a hardware-based embodiment, the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the device. However, it is also possible that the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In a software training, the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem An advantage is also a computer program product with program code, which on a machine-readable carrier such as a semiconductor memory, a
Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, Can be stored in hard disk space or an optical memory and is used to carry out and / or control the steps of the method according to one of the embodiments described above,
insbesondere wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird. especially when the program product is running on a computer or device.
Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten The approach presented here will be described below with reference to the attached
Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen: Illustrated drawings by way of example. Show it:
Figuren 1 bis 4 schematische Darstellungen einer mikrofluidischen Vorrichtung mit Fluidförderrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; Figures 1 to 4 are schematic representations of a microfluidic device with fluid conveying directions according to embodiments of the present invention;
Fig. 5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Analysieren einer Probe biologischen Materials gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 5 is a flowchart of a method for analyzing a sample of biological material according to an embodiment of the present invention;
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines molekularen Anfärbeprozesses gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und Fig. 7 ein Diagramm, das Intensitätssignale für verschiedene amplifizierte und hybridisierte DNA-Abschnitte wiedergibt. Fig. 6 is a schematic representation of a molecular staining process according to an embodiment of the present invention; and Fig. 7 is a diagram showing intensity signals for various amplified and hybridized DNA segments.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren In the following description of favorable embodiments of the present invention are for the in the various figures
dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche represented and similar elements acting the same or similar
Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer mikrofluidischen VorrichtungReference numeral used, wherein a repeated description of these elements is omitted. Fig. 1 shows a schematic representation of a microfluidic device
100 zum Analysieren einer Probe biologischen Materials gemäß einem 100 for analyzing a sample of biological material according to a
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind von der mikrofluidischen Vorrichtung 100 hierbei exemplarisch ein Amplifikationsabschnitt 110, drei Reaktionskammern 111, 112 und 113, ein erster Verbindungskanal 114, ein zweiter Verbindungskanal 115, eine Pumpkammer 120, eine Embodiment of the present invention. Here, by way of example, an amplification section 110, three reaction chambers 111, 112 and 113, a first connection channel 114, a second connection channel 115, a pumping chamber 120, one of the microfluidic device 100 are shown
Nachweiskammer 130 bzw. Arraykammer, eine Ausgleichskammer 140, eine Umgebungsleitung 150, ein Einlass 160, ein Auslass 170, ein dritter  Detection chamber 130 or array chamber, a compensation chamber 140, an ambient line 150, an inlet 160, an outlet 170, a third
Verbindungskanal 181, ein viertes Ventil 182, ein fünftes Ventil 183, ein sechstes Ventil 184, ein siebtes Ventil 185, ein achtes Ventil 186, ein neuntes Ventil 187, eine erste Fluidförderrichtung A und eine zweite Fluidförderrichtung B. Bei der mikrofluidischen Vorrichtung 100 handelt es sich beispielsweise um ein sogenanntes Chiplabor bzw. Lab-on-Chip (LOC). Die Ventile 183 und 185 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel ohne Beschränkung der Allgemeinheit insbesondere gleichgeschalten, d. h. öffnen und schließen immer gleichzeitig Connecting passage 181, a fourth valve 182, a fifth valve 183, a sixth valve 184, a seventh valve 185, an eighth valve 186, a ninth valve 187, a first fluid conveying direction A and a second fluid conveying direction B. The microfluidic device 100 is For example, a so-called chip lab or lab-on-chip (LOC). The valves 183 and 185 are in the present embodiment in particular without loss of generality equivalent, d. H. always open and close at the same time
Der Amplifikationsabschnitt 110 weist hierbei die drei Reaktionskammern 111, 112 und 113, die eine Denaturierungskammer 111, eine Elongationskammer 112 und eine Hybridisierungskammer 113, sowie das erste Ventil bzw. den ersten Verbindungskanal 114 und das zweite Ventil bzw. den zweiten Verbindungskanal 115 auf. Die erste Denaturierungskammer 111 ist mittels einer Fluidleitung, in der das erste Ventil 114 angeordnet ist, fluidisch mit der Elongationskammer 112 verbunden. Die Elongationskammer 112 ist mittels einer weiteren Fluidleitung, in der das zweite Ventil 115 angeordnet ist, fluidisch mit der The amplification section 110 here comprises the three reaction chambers 111, 112 and 113, which comprise a denaturation chamber 111, an elongation chamber 112 and a hybridization chamber 113, as well as the first valve or the first connection channel 114 and the second valve or the second connection channel 115. The first denaturation chamber 111 is fluidically connected to the elongation chamber 112 by means of a fluid line in which the first valve 114 is arranged. The elongation chamber 112 is fluidically connected to the other by means of a further fluid line, in which the second valve 115 is arranged
Hybridisierungskammer 113 verbunden. Die Reaktionskammern 111, 112 und 113 sind ausgebildet, um eine Polymerase- Kettenreaktion mit einer Mehrzahl von Zyklen für eine Amplifikation der Probe durchzuführen bzw. zu ermöglichen. Dabei ist die Denaturierungskammer 111 ausgebildet, um eine Denaturierung von Zielmolekülen der Probe durchzuführen bzw. zu ermöglichen. Die Hybridization chamber 113 connected. Reaction chambers 111, 112, and 113 are configured to undergo a polymerase chain reaction with a plurality of Perform cycles to amplify the sample. In this case, the denaturation chamber 111 is designed to perform or permit denaturation of target molecules of the sample. The
Hybridisierungskammer 113 ist ausgebildet, um eine Primerhybridisierung von denaturierten Zielmolekülen der Probe durchzuführen bzw. zu ermöglichen. DieHybridization chamber 113 is designed to perform primer hybridization of denatured target molecules of the sample. The
Elongationskammer 112 ist ausgebildet, um eine Elongation von Elongationskammer 112 is formed to a elongation of
primerhybridisierten Zielmolekülen der Probe durchzuführen bzw. zu primerhybridisierten target molecules of the sample perform or to
ermöglichen. Ergänzend ist anzumerken, das einige der Ventile auch als einfache Verbindungskanäle ausgestaltet sind, also nicht in einen geschlossenen Zustand geschaltet werden können. enable. In addition, it should be noted that some of the valves are also designed as simple connection channels, that can not be switched to a closed state.
Die Nachweiskammer 130 ist fluidisch bzw. mittels Fluidleitungen mit dem Amplifikationsabschnitt 110 verbunden. Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind der Amplifikationsabschnitt 110 und die Nachweiskammer 130 in einem mikrofluidischen Kreislauf fluidisch miteinander verbunden bzw. verschaltet. Dabei ist die Nachweiskammer 130 fluidisch zwischen die Denaturierungskammer 111 und die The detection chamber 130 is connected to the amplification section 110 fluidically or by means of fluid lines. According to the exemplary embodiment of the present invention illustrated in FIG. 1, the amplification section 110 and the detection chamber 130 are fluidically interconnected in a microfluidic circuit. In this case, the detection chamber 130 is fluidically between the denaturation chamber 111 and the
Hybridisierungskammer 113 geschaltet. Die Nachweiskammer 130 weist ein Mikroarray bzw. Nukleinsäure-Mikroarray auf. Die Nachweiskammer 130 ist ausgebildet, um Nachweisreaktionen an denaturierten Zielmolekülen der Probe aus unterschiedlichen Zyklen der Polymerase- Kettenreaktion wiederholt auszuführen bzw. zu ermöglichen. Hybridization chamber 113 connected. The detection chamber 130 has a microarray or nucleic acid microarray. The detection chamber 130 is designed to repeatedly perform detection reactions on denatured target molecules of the sample from different cycles of the polymerase chain reaction.
Die Pumpkammer 120 ist fluidisch mit dem Amplifikationsabschnitt 110 und der Nachweiskammer 130 verbunden. Genau gesagt ist die Pumpkammer 120 fluidisch zwischen die Denaturierungskammer 111 und die Nachweiskammer 130 geschaltet. Die Pumpkammer 120 repräsentiert die Vorrichtung zum Transport der mikrofluidischen Vorrichtung 100. Auch wenn es in Fig. 1 nicht explizit gezeigt ist, so kann die zumindest eine Vorrichtung zum Transport zusätzlich zu der Pumpkammer 120 auch in den Reaktionskammern 111, 112 und 113 und/oder in der Nachweiskammer 130 angeordnete, auslenkbare Membranen zum Verdrängen eines Volumens der Probe aufweisen. Die Pumpkammer 120 bzw. die Vorrichtung zum Transport ist bzw. sind ausgebildet, um die Probe wiederholt zwischen dem Amplifikationsabschnitt 110 und der Nachweiskammer 130 zu fördern. Auch ist die Pumpkammer 120 bzw. ist die zumindest eine Vorrichtung zum Transport ausgebildet, um die Probe wiederholt zwischen den Reaktionskammern 111, 112 und 113 zu fördern. The pumping chamber 120 is fluidly connected to the amplification section 110 and the detection chamber 130. Specifically, the pumping chamber 120 is fluidly connected between the denaturation chamber 111 and the detection chamber 130. The pumping chamber 120 represents the device for transporting the microfluidic device 100. Although not explicitly shown in FIG. 1, the at least one device for transport in addition to the pumping chamber 120 may also be located in the reaction chambers 111, 112 and 113 and / or in the detection chamber 130 arranged deflectable membranes for displacing a volume of the sample. The pump chamber 120 or the device for transport is or are designed to repeatedly convey the sample between the amplification section 110 and the detection chamber 130. Also, the pumping chamber 120 is or is at least one Device for transport designed to repeatedly convey the sample between the reaction chambers 111, 112 and 113.
Die Ausgleichskammer 140 ist fluidisch zwischen die Nachweiskammer 130 und den Amplifikationsabschnitt 110 geschaltet. Genauer gesagt ist die The compensation chamber 140 is fluidically connected between the detection chamber 130 and the amplification section 110. More precisely, that is
Ausgleichskammer 140 fluidisch zwischen die Nachweiskammer 130 und die Hybridisierungskammer 113 geschaltet. Dabei ist die Ausgleichskammer 140 fluidisch mit der Nachweiskammer 130 und dem Amplifikationsabschnitt 110 bzw. der Hybridisierungskammer 113 fluidisch verbunden. Die Ausgleichskammer 140 ist ausgebildet, um ein Ausgleichsvolumen, eine fluidische Kapazität bzw. eine Compensation chamber 140 fluidly connected between the detection chamber 130 and the hybridization chamber 113. In this case, the compensation chamber 140 is fluidically connected to the detection chamber 130 and the amplification section 110 or the hybridization chamber 113. The compensation chamber 140 is designed to be a compensation volume, a fluidic capacity or a
Drosselfunktion zu repräsentieren bzw. bereitzustellen. To represent or provide throttle function.
Die Umgehungsleitung 150 ist bezüglich der Nachweiskammer 130 fluidisch parallel geschaltet. Die Umgehungsleitung 150 erstreckt sich von einer ersten Verzweigungsstelle, die zwischen der Nachweiskammer 130 und der The bypass line 150 is fluidly connected in parallel with respect to the detection chamber 130. The bypass line 150 extends from a first branch point located between the detection chamber 130 and the
Pumpkammer 120 angeordnet ist, bis zu einer zweiten Verzweigungsstelle, die zwischen der Nachweiskammer 130 und der Ausgleichskammer 140 angeordnet ist. Der Einlass 160 bzw. Fluideinlass der mikrofluidischen Vorrichtung 100 ist zwischen dem Amplifikationsabschnitt 110, genauer gesagt der  Pumping chamber 120 is arranged, to a second branch point, which is arranged between the detection chamber 130 and the compensation chamber 140. The inlet 160 or fluid inlet of the microfluidic device 100 is located between the amplification section 110, more particularly the
Denaturierunskammer 111, und der Pumpkammer 120 angeordnet. Der Auslass 170 bzw. Fluidauslass der mikrofluidischen Vorrichtung 100 ist in der Denaturation chamber 111, and the pumping chamber 120 arranged. The outlet 170 or fluid outlet of the microfluidic device 100 is in the
Umgehungsleitung 150 angeordnet. Bypass line 150 is arranged.
Das dritte Ventil bzw. der dritte Verbindungskanal 181 ist zwischen der The third valve or the third connection channel 181 is between the
Hybridisierungskammer 113 und der Ausgleichskammer 140 angeordnet. Das vierte Ventil 182 ist zwischen der Ausgleichskammer 140 und der zweiten Verzweigungsstelle angeordnet. Das fünfte Ventil 183 ist zwischen der zweiten Verzweigungsstelle und der Nachweiskammer 130 angeordnet. Das sechsteHybridization chamber 113 and the compensation chamber 140 arranged. The fourth valve 182 is disposed between the equalizing chamber 140 and the second branching point. The fifth valve 183 is disposed between the second branching point and the detection chamber 130. The sixth
Ventil 184 ist in der Umgehungsleitung 150 zwischen dem Auslass 170 und der ersten Verzweigungsstelle angeordnet. Das siebte Ventil 185 ist zwischen der Nachweiskammer 130 und der ersten Verzweigungsstelle angeordnet. Das achte Ventil 186 ist zwischen der ersten Verzweigungsstelle und der Pumpkammer 120 angeordnet. Das neunte Ventil 187 ist zwischen der Pumpkammer 120 und dem Einlass 160 angeordnet. Die Ventile/Verbindungskanäle 114, 115, 181, 182, 183, 184, 185, 186 und 187 sind beispielsweise als Membranventile oder Valve 184 is disposed in the bypass 150 between the outlet 170 and the first branch point. The seventh valve 185 is disposed between the detection chamber 130 and the first branching point. The eighth valve 186 is disposed between the first branching point and the pumping chamber 120. The ninth valve 187 is between the pumping chamber 120 and the Inlet 160 arranged. The valves / connection channels 114, 115, 181, 182, 183, 184, 185, 186 and 187 are, for example, as diaphragm valves or
Membranschläuche in jeweiligen Fluidleitungen ausgeführt. Der mikrofluidische Kreislauf bzw. eine fluidische Verschaltung oder Abfolge innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung 100 weist gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sowie unter Bezugnahme auf die Darstellung in Fig. 1 im Uhrzeigersinn den Einlass 160, die Denaturierungskammer 111, das erste Ventil 114, die Elongationskammer 112, das zweite Ventil 115, die Hybridisierungskammer 113, das dritte Ventil 181, dieMembrane hoses executed in respective fluid lines. The microfluidic circuit or a fluidic circuit or sequence within the microfluidic device 100 has the inlet 160, the denaturation chamber 111, the first valve according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 as well as with reference to the illustration in FIG 114, the elongation chamber 112, the second valve 115, the hybridization chamber 113, the third valve 181, the
Ausgleichskammer 140, das vierte Ventil 182, die zweite Verzweigungsstelle, wobei hierauf in einem ersten Zweig das fünfte Ventil 183, die Nachweiskammer 130 sowie das siebte Ventil 185 folgen und in einem zweiten Zweig, der fluidisch parallel zu dem ersten Zweig verläuft, die Umgehungsleitung 150 mit dem Auslass 170 und dem sechsten Ventil 184 folgt, die erste Verzweigungsstelle, das achte Ventil 186, die Pumpkammer 120 und das neunte Ventil 187 auf. Compensation chamber 140, the fourth valve 182, the second branch point, followed in a first branch, the fifth valve 183, the detection chamber 130 and the seventh valve 185 and in a second branch, which is fluidly parallel to the first branch, the bypass line 150th with the outlet 170 and the sixth valve 184, the first branch point, the eighth valve 186, the pumping chamber 120, and the ninth valve 187 follow.
Die erste Fluidförderrichtung A verläuft hierbei im Uhrzeigersinn von der The first fluid conveying direction A in this case runs clockwise from the
Denaturierungskammer 111 zu der Pumpkammer 120. Die zweite Denaturation chamber 111 to the pumping chamber 120. The second
Fluidförderrichtung B verläuft entgegen dem Uhrzeigersinn von der Fluid conveying direction B runs counterclockwise from the
Pumpkammer 120 zu der Denaturierungskammer 111. Auf die  Pumping chamber 120 to the denaturation 111. On the
Fluidförderrichtungen A und B wird nachfolgend detaillierter eingegangen. Fluid conveying directions A and B will be discussed in more detail below.
Fig. 1 zeigt somit anders ausgedrückt eine fluidische Struktur der In other words, FIG. 1 shows a fluidic structure of the FIG
mikrofluidischen Vorrichtung 100 bzw. eines Chips zur kombinierten Microfluidic device 100 or a chip for combined
Durchführung einer Amplifikationsreaktion, d. h. einer PCR, und einer  Performing an amplification reaction, d. H. a PCR, and a
Nachweisreaktion, letztere mittels eines Mikroarrays. Hierbei umfasst die Struktur unter anderem die drei Reaktionskammern 111, 112 und 113, in denen unter abwechselndem Fluid- bzw. Flüssigkeitstransport eines flüssigen Detection reaction, the latter by means of a microarray. Among other things, the structure comprises the three reaction chambers 111, 112 and 113, in which, with alternate fluid or liquid transport of a liquid
Probenvolumens zwischen den Reaktionskammern 111, 112 und 113 eine gewünschte biochemische Reaktion, eine Amplifikationsreaktion, abläuft. Die Probe wird dabei auf bestimmte genetische Merkmale untersucht. Ferner umfasst die mikrofluidische Vorrichtung 100 hierbei die Pumpkammer 120 und einen fluidischen Pfad, der die Nachweiskammer 130 bzw. Arraykammer mit einem darin befindlichen Nukleinsäure-Mikroarray umfasst. Während der biochemischen Reaktion bzw. Amplifikationsreaktion ist ein Reaktionsvolumen mittels der Pumpkammer 120 in die Nachweiskammer 130 einleitbar, um einen Verlauf der Reaktion und eine Zusammensetzung der Probe zu bestimmen, also eine Nachweisreaktion auszuführen. Die mikrofluidische Vorrichtung 100 weist dabei zwei fluidische Pfade auf, um die Bereiche der Amplifikations- und Sample volume between the reaction chambers 111, 112 and 113 a desired biochemical reaction, an amplification reaction, proceeds. The sample is examined for specific genetic characteristics. Furthermore, the microfluidic device 100 here comprises the pumping chamber 120 and a fluidic path which includes the detection chamber 130 or array chamber with a nucleic acid microarray therein. During the biochemical reaction or amplification reaction, a reaction volume by means of the pumping chamber 120 in the detection chamber 130 can be introduced to determine a course of the reaction and a composition of the sample, so perform a detection reaction. The microfluidic device 100 has two fluidic paths to the areas of amplification and
Nachweisreaktion individuell fluidisch prozessieren zu können.  Be able to process the detection reaction individually fluidically.
Die Reaktionskammern 111, 112 und 113 sowie die Nachweiskammer 130 können als Vorrichtung zum Transport je eine elastische Membran aufweisen, die in die jeweilige Kammer auslenkbar ist. Durch eine solche direkte The reaction chambers 111, 112 and 113 and the detection chamber 130 can each have, as a device for transport, an elastic membrane which can be deflected into the respective chamber. By such a direct
Volumenverdrängung lassen sich Flüssigkeitsvolumina in einen an die jeweilige Kammer angeschlossenen mikrofluidischen Kanal und/oder in eine andere Kammer umlagern. Auch wenn es in Fig. 1 ebenfalls nicht explizit gezeigt ist, sind verschiedene Bereiche der mikrofluidischen Vorrichtung 100, insbesondere die Reaktionskammern 111, 112 und 113 sowie die Nachweiskammer 130, durch Volume displacement can be liquid volumes in a connected to the respective chamber microfluidic channel and / or relocate to another chamber. Although it is likewise not explicitly shown in FIG. 1, different regions of the microfluidic device 100, in particular the reaction chambers 111, 112 and 113 and the detection chamber 130, are through
Temperiermittel auf jeweilige Zieltemperaturen temperierbar. Anders ausgedrückt können die Reaktionskammern 111, 112 und 113 sowie die Nachweiskammer 130 beispielsweise durch Heizer, z. B. in die mikrofluidische Vorrichtung 100 integrierte oder extern angelegte Heizer, lokal temperiert werden. Dadurch lassen sich die jeweiligen Bereiche mit unterschiedlichen Temperaturen beaufschlagen, die beispielsweise von einer biochemischen Nachweisreaktion oder Polymerase- Kettenreaktion (PCR) benötigt werden. Eine kombinierte Amplifikations- und Nachweisreaktion ist insbesondere definiert durch fluidische, thermische und biochemische Protokolle. Temperature control to temperature target temperatures. In other words, the reaction chambers 111, 112 and 113 and the detection chamber 130, for example, by heaters, z. B. in the microfluidic device 100 integrated or externally applied heater to be locally tempered. As a result, the respective regions can be exposed to different temperatures, which are required, for example, by a biochemical detection reaction or polymerase chain reaction (PCR). A combined amplification and detection reaction is defined in particular by fluidic, thermal and biochemical protocols.
So wird in Betrieb der mikrofluidischen Vorrichtung 100 beispielsweise eine Probenlösung in einem PCR-Mix in der Denaturierungskammer 111 zur For example, in operation of the microfluidic device 100, a sample solution in a PCR mix in the denaturation chamber 111 becomes
Verfügung gestellt. Der Bereich der Denaturierungskammer 111 ist für einen Denaturierungsschritt beispielsweise auf Temperaturen zwischen 90 Grad Celsius und 98 Grad Celsius temperiert. Die Probenlösung wird typischerweise zwischen 2 und 60 Sekunden in der Denaturierungskammer 111 verweilen gelassen. In einem weiteren Schritt wird das Probenvolumen in die Provided. The area of the denaturation chamber 111 is tempered for a denaturation step, for example to temperatures between 90 degrees Celsius and 98 degrees Celsius. The sample solution is typically allowed to linger in the denaturation chamber 111 for between 2 and 60 seconds. In a further step, the sample volume in the
Hybridisierungskammer 113 überführt. Der Bereich der Hybridisierungskammer 113 ist beispielsweise auf Temperaturen zwischen 45 Grad Celsius und 72 Grad Celsius temperiert. Die Probenlösung wird für diesen sogenannten Annealingschritt typischerweise zwischen 2 und 60 Sekunden in der Hybridization chamber 113 transferred. The area of the hybridization chamber 113 is tempered, for example, to temperatures between 45 degrees Celsius and 72 degrees Celsius. The sample solution is for this so-called Annealing step typically between 2 and 60 seconds in the
Hybridisierungskammer 113 verweilen gelassen. In einem weiteren Schritt wird das Probenvolumen in die Elongationskammer 112 überführt. Der Bereich der Elongationskammer 112 ist beispielsweise auf Temperaturen zwischen 68 Grad Celsius und 76 Grad Celsius temperiert. Die Probenlösung wird für diesen sogenannten Elongationsschritt typischerweise zwischen 10 und 120 Sekunden in der Elongationskammer 112 verweilen gelassen. Diese Schritte werden für die Polymerase- Kettenreaktion üblicherweise zum Beispiel zwischen 10- und 40-mal zyklisch durchgeführt. Nach einer wie eben beschriebenen Amplifikation von DNA-Abschnitten wird das Reaktionsvolumen zyklisch mit dem Mikroarray in der Nachweiskammer 130 in Kontakt gebracht. Hybridization chamber 113 allowed to rest. In a further step, the sample volume is transferred into the elongation chamber 112. The region of the elongation chamber 112 is tempered, for example, to temperatures between 68 degrees Celsius and 76 degrees Celsius. The sample solution is allowed to remain in the elongation chamber 112 for typically between 10 and 120 seconds for this so-called elongation step. These steps are usually carried out cyclically for the polymerase chain reaction, for example, between 10 and 40 times. After amplification of DNA sections as just described, the reaction volume is cyclically brought into contact with the microarray in the detection chamber 130.
Für einen Nachweis von amplifizierten DNA-Abschnitten wird die Probe nach einem in der Denaturierungskammer 111 erfolgten Denaturierungsschritt in die Nachweiskammer 130 eingeleitet. Dadurch wird ermöglicht, dass For detection of amplified DNA sections, the sample is introduced into the detection chamber 130 after a denaturation step carried out in the denaturation chamber 111. This will allow that
aufgeschmolzene PCR-Produktstränge mit Sonden des in der Nachweiskammer 130 angeordneten Mikroarrays wechselwirken, und im Falle von molten PCR product strands interact with probes of the microarray disposed in the detection chamber 130, and in the case of
Komplementarität von Nukleinsäuresequenzen durch die Sonden fixiert werden. Diese Schritte werden beispielsweise zwischen 1- und 40-mal zyklisch durchgeführt. Complementarity of nucleic acid sequences can be fixed by the probes. For example, these steps are cycled between 1 and 40 times.
Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das Probenvolumen nach den 10 bis 40 Zyklen der According to the embodiment of the present invention shown in Fig. 1, the sample volume after 10 to 40 cycles of the
Amplifikationsreaktion nach einem Denaturieren bzw. Aufschmelzen in der Denaturierungskammer 111 entlang der ersten Fluidförderrichtung A über die Reaktionskammern 112 und 113 in die Nachweiskammer 130 gefördert bzw. eingeleitet. Danach wird das Probenvolumen entlang der zweiten Amplification reaction after denaturing or melting in the denaturation chamber 111 along the first fluid conveying direction A via the reaction chambers 112 and 113 promoted or introduced into the detection chamber 130. Thereafter, the sample volume along the second
Fluidförderrichtung B über den gleichen Pfad in entgegengesetzter Richtung über die Reaktionskammern 113 und 112 zurück in die Denaturierungskammer 111 geleitet bzw. gefördert. Das Fördern der Volumina hin und her über den beschriebenen Weg zwischen der Denaturierungskammer 111 und der Fluid conveying direction B via the same path in the opposite direction via the reaction chambers 113 and 112 back into the Denaturierungskammer 111 or promoted. The conveying of the volumes back and forth over the described path between the Denaturierungskammer 111 and the
Nachweiskammer 130 erfolgt somit beispielsweise zwischen einmal und 40-mal. Detection chamber 130 thus takes place, for example, between once and 40 times.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der mikrofluidischen Vorrichtung 100 aus Fig. 1 mit einer anderen Abfolge der Fluidförderrichtungen A und B. Somit entspricht auch die Darstellung in Fig. 2 der Darstellung aus Fig. 1 mit Ausnahme der Fluidförderrichtungen A und B. Gemäß dem in Fig. 2 dargestellten FIG. 2 shows a schematic representation of the microfluidic device 100 from FIG. 1 with a different sequence of the fluid conveying directions A and B. Thus The illustration in FIG. 2 also corresponds to the illustration from FIG. 1 with the exception of the fluid conveying directions A and B. According to FIG
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das Probenvolumen nach den 10 bis 40 Zyklen der Amplifikationsreaktion nach einem Denaturieren bzw. Aufschmelzen in der Denaturierungskammer 111 entlang der zweiten Embodiment of the present invention, the sample volume after the 10 to 40 cycles of the amplification reaction after denaturation in the denaturation chamber 111 along the second
Fluidförderrichtung B in die Pumpkammer 120 gefördert bzw. überführt und von dort aus in die Nachweiskammer 130 gefördert bzw. eingeleitet. Danach wird das Probenvolumen entlang der ersten Fluidförderrichtung A über den gleichen Pfad über die Pumpkammer 120 direkt in die Denaturierungskammer 111  Fluid conveying direction B promoted or transferred into the pumping chamber 120 and conveyed from there into the detection chamber 130 or introduced. Thereafter, the sample volume along the first fluid conveying direction A via the same path via the pumping chamber 120 directly into the denaturation 111
zurückgefördert bzw. geleitet. Das Fördern der Volumina hin und her über den beschriebenen Weg zwischen der Denaturierungskammer 111 und der promoted or led back. The conveying of the volumes back and forth over the described path between the Denaturierungskammer 111 and the
Nachweiskammer 130 erfolgt somit beispielsweise zwischen einmal und 40-mal. Detection chamber 130 thus takes place, for example, between once and 40 times.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der mikrofluidischen Vorrichtung 100 aus Fig. 1 bzw. Fig. 2 mit lediglich der ersten Fluidförderrichtung A. Somit entspricht auch die Darstellung in Fig. 3 der Darstellung aus Fig. 1 bzw. Fig. 2 mit Ausnahme der lediglich einen, hier der ersten Fluidförderrichtung A. Gemäß dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das Probenvolumen nach den 10 bis 40 Zyklen der Amplifikationsreaktion nach einem Denaturieren bzw. Aufschmelzen in der Denaturierungskammer 111 entlang der ersten Fluidförderrichtung A über die Reaktionskammern 112 und 113 in die Nachweiskammer 130 gefördert bzw. eingeleitet. Danach wird das Probenvolumen weiterhin entlang der ersten Fluidförderrichtung A mittels der Pumpkammer 120 direkt zurück in die Denaturierungskammer 111 gefördert bzw. überführt. Das Fördern der Volumina hin und her über den beschriebenenFIG. 3 shows a schematic representation of the microfluidic device 100 from FIG. 1 or FIG. 2 with only the first fluid conveying direction A. Thus, the representation in FIG. 3 also corresponds to the illustration from FIG. 1 or FIG. 2, with the exception of FIG only one, here the first fluid conveying direction A. According to the embodiment of the present invention shown in FIG. 3, the sample volume after the 10 to 40 cycles of the amplification reaction after denaturing in the denaturation chamber 111 along the first fluid conveying direction A via the reaction chambers 112 and 113 conveyed or introduced into the detection chamber 130. Thereafter, the sample volume is further conveyed or transferred along the first fluid conveying direction A by means of the pumping chamber 120 directly back into the denaturation chamber 111. Feeding the volumes back and forth over the described
Weg zwischen der Denaturierungskammer 111 und der Nachweiskammer 130 erfolgt somit beispielsweise zwischen einmal und 40-mal. The path between the denaturation chamber 111 and the detection chamber 130 thus occurs, for example, between once and 40 times.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung der mikrofluidischen Vorrichtung 100 aus Fig. 1, Fig. 2 bzw. Fig. 3 mit lediglich der zweiten Fluidförderrichtung B.4 shows a schematic representation of the microfluidic device 100 from FIG. 1, FIG. 2 or FIG. 3 with only the second fluid conveying direction B.
Somit entspricht auch die Darstellung in Fig. 4 der Darstellung aus Fig. 1, Fig. 2 bzw. Fig. 3 mit Ausnahme der lediglich einen, hier der zweiten Thus, the representation in FIG. 4 also corresponds to the illustration from FIG. 1, FIG. 2 or FIG. 3, with the exception of only one, here the second one
Fluidförderrichtung B. Gemäß dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das Probenvolumen nach den 10 bis 40 Zyklen der Amplifikationsreaktion nach einem Denaturieren bzw. Aufschmelzen in der Denaturierungskammer 111 entlang der zweiten Fluidförderrichtung B in die Pumpkammer 120 gefördert bzw. überführt und von dort aus in die Fluid Delivery Direction B. According to the embodiment of the present invention shown in Fig. 4, the sample volume after the 10 to 40 cycles of the amplification reaction after denaturing in the Denaturation chamber 111 along the second fluid conveying direction B in the pumping chamber 120 promoted or transferred and from there into the
Nachweiskammer 130 gefördert bzw. eingeleitet. Danach wird das Detection chamber 130 promoted or initiated. After that it will be
Probenvolumen weiterhin entlang der zweiten Fluidförderrichtung B über die Reaktionskammern 113 und 112 zurück in die Denaturierungskammer 111 eingeleitet bzw. gefördert. Das Fördern der Volumina hin und her über den beschriebenen Weg zwischen der Denaturierungskammer 111 und der Sample volume continues along the second fluid conveying direction B via the reaction chambers 113 and 112 back into the denaturation 111 initiated or promoted. The conveying of the volumes back and forth over the described path between the Denaturierungskammer 111 and the
Nachweiskammer 130 erfolgt somit beispielsweise zwischen einmal und 40-mal. Detection chamber 130 thus takes place, for example, between once and 40 times.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 wird im Folgenden mit anderen Worten auf weitere Charakteristika, Aspekte und/oder Merkmale von With reference to FIGS. 1 to 4, in other words, further characteristics, aspects and / or features of
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eingegangen. Embodiments of the present invention received.
Es kann über den fluidischen Pfad, der die Nachweiskammer 130 bzw. It can via the fluidic path, the detection chamber 130 and
Mikroarraykammer umfasst, eine Waschlösung gespült werden, während sich das Probenvolumen in einer der Reaktionskammern 111, 112 und 113 befindet. Dadurch können eine Auslesereaktion behindernde Stoffe, wie beispielsweise Fluorophore, weggewaschen werden. Microarray chamber, a washing solution are rinsed while the sample volume is in one of the reaction chambers 111, 112 and 113. As a result, substances which inhibit readout reaction, such as fluorophores, can be washed away.
Optional kann die Spüllösung ein PCR-Puffer sein, der beispielsweise alle im vorigen Abschnitt genannten Komponenten umfassen kann. Bevorzugterweise umfasst der PCR-Puffer keine Primer. Wenn eine solche Spüllösung in die Nachweiskammer 130 eingespült wird und dort typischerweise zwischen 1 und 60 Sekunden verweilt, werden die Sonden des Mikroarrays bei der Optionally, the rinse solution may be a PCR buffer, which may comprise, for example, all the components mentioned in the previous section. Preferably, the PCR buffer does not comprise primers. If such a rinse solution is rinsed into the detection chamber 130 and typically lingers there for between 1 and 60 seconds, the microarray probes will be in the
Primerverlängerungsreaktion komplementär zu einem an diese Sonden hybridisierten PCR-Produktstrang verlängert. Dadurch erhöht sich eine Extended primer extension reaction complementary to a hybridized to these probes PCR product strand. This increases one
Schmelztemperatur und damit eine Stabilität eines an eine Oberfläche des Mikroarrays gebundenen DNA-Duplexes. Melting temperature and thus stability of a bonded to a surface of the microarray DNA duplex.
Die mikrofluidische Vorrichtung 100 ist beispielsweise aus Polymersubstraten ausgeformt. In den Polymersubstraten können Merkmale der mikrofluidischen Vorrichtung 100 beispielsweise durch Fräsen, Spritzguss, Heißprägen oder Laserstrukturierung ausgeformt sein. Das Mikroarray der Nachweiskammer 130 kann entweder direkt im Polymer ausgeformt sein oder als Einlegeteil, beispielsweise aus Glas hergestellt, in den Polymerschichtaufbau eingebracht sein. The microfluidic device 100 is formed, for example, from polymer substrates. In the polymer substrates, features of the microfluidic device 100 may be formed, for example, by milling, injection molding, hot stamping or laser structuring. The microarray of the detection chamber 130 can either be formed directly in the polymer or as an insert, For example, made of glass, be incorporated into the polymer layer structure.
Materialbeispiele umfassen für ein solches Polymersubstrat insbesondere Thermoplaste, z. B. PC, PP, PE, PMMA, COP, COC, PEEK oder dergleichen, für eine Polymermembran, die für die Ventile 114, 115, 181, 182, 183, 184, 185, 186 und 187 bzw. die Vorrichtung zum Transport verwendbar ist, insbesondere Elastomer, thermoplastisches Elastomer, TPU, TPS, Thermoplaste, Material examples include for such a polymer substrate in particular thermoplastics, for. PC, PP, PE, PMMA, COP, COC, PEEK or the like, for a polymer membrane usable for the valves 114, 115, 181, 182, 183, 184, 185, 186 and 187 and the device for transportation especially elastomer, thermoplastic elastomer, TPU, TPS, thermoplastics,
Heißklebefolien, Siegelfolien für Mikrotiterplatten, Latex oder dergleichen. Hot-adhesive films, sealing films for microtiter plates, latex or the like.
Eine beispielhafte Ausformung von Biomolekülen umfasst eine Länge der Sonden von 5 bis 100 Nukleotiden, Linkermoleküle mit Thiolgruppen, An exemplary biomolecule formation comprises 5 to 100 nucleotide probe lengths, thiol group linker molecules,
Aminogruppen, Gold, Glutharaldehyde, Acrydite™ oder dergleichen, die beispielsweise über eine Kohlenstoff kette mit der Sonde verbunden sind, PCR- Primer mit einer Länge zwischen 5 und 100 Nukleotiden, wobei sich eine Amino groups, gold, Glutharaldehyde, Acrydite ™ or the like, which are connected for example via a carbon chain with the probe, PCR primer having a length between 5 and 100 nucleotides, wherein a
Schmelztemperatur der beiden Primer stark unterscheiden kann, hot- Start Polymerasen, Proof-Reading-Polymerasen etc. als Polymerasen und einen Durchmesser einen Spots von 1 bis 500 Mikrometer. Beispielhafte Abmessungen der mikrofluidischen Vorrichtung 100 umfassen eine Melting temperature of the two primers can differ greatly, hot-start polymerases, proof reading polymerases, etc. as polymerases and a diameter of a spot from 1 to 500 microns. Exemplary dimensions of the microfluidic device 100 include a
Dicke eines Polymersubstrats von 0,5 Millimeter bis 5 Millimeter, einen Thickness of a polymer substrate from 0.5 mm to 5 mm, a
Kanaldurchmesser in Polymersubstraten von 10 Mikrometern bis 3 Millimeter, eine Dicke einer Polymermembran von 5 bis 500 Mikrometer sowie ein Volumen von Kammern bzw. Kavitäten in den Polymersubstraten von 1 Kubikmillimeter bis 1000 Kubikmillimeter. Beispielhafte Drücke für eine Aktuierung einer Channel diameters in polymer substrates of 10 microns to 3 millimeters, a thickness of a polymer membrane of 5 to 500 microns and a volume of cavities in the polymer substrates of 1 cubic millimeter to 1000 cubic millimeters. Exemplary pressures for an actuation of a
Polymermembran liegen zwischen 0,2 bar und 2 bar.  Polymer membrane are between 0.2 bar and 2 bar.
Fig. 5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zum Analysieren einer Probe biologischen Materials gemäß einem Ausführungsbeispiel der FIG. 5 shows a flowchart of a method 500 for analyzing a sample of biological material according to an embodiment of the invention
vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 500 kann in Verbindung mit bzw. unterpresent invention. The method 500 may be described in conjunction with
Verwendung von einer mikrofluidischen Vorrichtung wie einer der Use of a microfluidic device such as one of
mikrofluidischen Vorrichtungen aus Fig. 1 bis Fig. 4 vorteilhaft ausgeführt werden. Hierbei weist das Verfahren 500 einen Schritt 510 des Durchführens einer Denaturierung von Zielmolekülen der Probe als Teilschritt einer Polymerase- Kettenreaktion auf. Der Schritt 510 des Durchführens ist dabei in einem microfluidic devices of Fig. 1 to Fig. 4 are advantageously carried out. Here, the method 500 includes a step 510 of performing a denaturation of target molecules of the sample as a substep of a polymerase chain reaction. The step 510 of performing is in one
Amplifikationsabschnitt einer mikrofluidischen Vorrichtung mit zumindest einer Reaktionskammer zum Durchführen einer Polymerase- Kettenreaktion mit einerAmplification section of a microfluidic device having at least one reaction chamber for carrying out a polymerase chain reaction with a
Mehrzahl von Zyklen für eine Amplifikation der Probe ausführbar. Plurality of cycles for amplification of the sample executable.
Dann weist das Verfahren 500 einen Schritt 520 des Förderns der Probe von dem Amplifikationsabschnitt in zumindest eine fluidisch mit dem Then, the method 500 includes a step 520 of conveying the sample from the amplification section into at least one of fluidically
Amplifikationsabschnitt verbundene Nachweiskammer auf. Auch weist dasAmplification section connected detection chamber. Also, that shows
Verfahren 500 einen Schritt 530 des Ausführens von Nachweisreaktionen an denaturierten Zielmolekülen der Probe in der zumindest einen Nachweiskammer auf. Method 500 includes a step 530 of performing detection reactions on denatured target molecules of the sample in the at least one detection chamber.
Hiernach weist das Verfahren 500 einen Schritt 540 des Zurückförderns der Probe aus der zumindest einen Nachweiskammer in den Amplifikationsabschnitt auf. Nachfolgend weist das Verfahren 500 einen Schritt 550 des Bewirkens einer Primerhybridisierung von denaturierten Zielmolekülen der zurückgeförderten Probe und einer Elongation von primerhybridisierten Zielmolekülen der zurückgeförderten Probe in dem Amplifikationsabschnitt auf. Thereafter, the method 500 includes a step 540 of returning the sample from the at least one detection chamber into the amplification section. Subsequently, the method 500 includes a step 550 of effecting primer hybridization of denatured target molecules of the returned sample and elongation of primed hybridized target molecules of the returned sample in the amplification section.
Gemäß dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden bei dem Verfahren 500 in jedem Zyklus der Polymerase- Kettenreaktion die Schritte 510 bis 550 wiederholt bzw. erneut ausgeführt. According to the embodiment of the present invention shown in FIG. 5, in the method 500, steps 510 to 550 are repeated or re-executed in each cycle of the polymerase chain reaction.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 500 ferner einen Schritt 560 des Vollziehens eines molekularen Anfärbeprozesses der According to one embodiment, the method 500 further comprises a step 560 of completing a molecular staining process of
primerhybridisierten Zielmoleküle auf. Auf den Schritt 560 des Vollziehens des molekularen Anfärbeprozesses wird nachfolgend insbesondere unter primer-hybridized target molecules. Step 560 of completing the molecular staining process will be described below in particular
Bezugnahme auf Fig. 6 detaillierter eingegangen. Referring to Fig. 6 in more detail.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines molekularen Anfärbeprozesses 600 bzw. Anfärbeprinzips von primerhybridisierten Zielmolekülen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der molekulare Anfärbeprozess 600 wird beispielsweise im Schritt des Vollziehens gemäß dem Verfahren aus Fig. 5 vollzogen. In Fig. 6 sind eine erste Teildarstellung A, eine zweite FIG. 6 shows a schematic representation of a molecular staining process 600 or staining principle of primer-hybridized target molecules according to an exemplary embodiment of the present invention. The molecular staining process 600 is, for example, in the step of completing according to the method Fig. 5 completed. In Fig. 6 are a first partial view A, a second
Teildarstellung B und eine dritte Teildarstellung C des Anfärbeprozesses 600 gezeigt. In der ersten Teildarstellung A sind ein Produktstrang 601 und Biotin-Partial representation B and a third partial view C of the staining process 600 shown. In the first partial view A, a product strand 601 and biotin
Desoxvuridintriphosphate 602 bzw. Biotin-dUTPs gezeigt. Ein PCR-Reaktionsmix enthält beispielsweise zusätzlich zu typischen Komponenten wie Salzen, Polymerase, PCR-Primer, Nukleotiden und reaktionsverbessernden Substanzen auch Biotin-dUTPs 602. Für den Anfärbeprozess 600 werden diese speziellen Nukleotide, d. h. die Biotin-dUTPs 602, während der Reaktion bzw. PCR in denDesoxvuridine triphosphates 602 and biotin-dUTPs, respectively. For example, in addition to typical components such as salts, polymerase, PCR primers, nucleotides, and reaction enhancing agents, a PCR reaction mix also contains biotin-dUTPs 602. For staining process 600, these particular nucleotides, i.e. H. the biotin-dUTPs 602, during the reaction or PCR in the
Produktstrang 601 eingebaut. In der zweiten Teildarstellung B ist ein an eine Sonde eines Mikroarrays 603 angebundener Strang 604 mit eingebauten Biotin- dUTPs 602 gezeigt. Die dritte Teildarstellung C entspricht hierbei der zweiten Teildarstellung B mit der Ausnahme, dass zusätzlich streptavidinkonjugierte Fluoreszenzmoleküle 605 bzw. Streptavidin-Moleküle dargestellt sind. In der dritten Teildarstellung C ist gezeigt, wie der an die Sonde des Mikroarrays 603 angebundene Strang 604 fluoreszent angefärbt wird bzw. ist. Hierzu enthält eine Spül- oder Färbelösung in einem Bindepuffer die streptavidinkonjugierten Fluoreszenzmoleküle 605. Die streptavidinkonjugierten Fluoreszenzmoleküle 605 binden hierbei an die Biotin-dUTPs 602 bzw. Biotin-Moleküle und markieren somit biotinhaltiges, an der Sonde des Mikroarrays 603 angebundenes PCR- Produkt. Product strand 601 installed. In the second partial view B, a strand 604 connected to a probe of a microarray 603 with built-in biotin dUTPs 602 is shown. The third partial view C hereby corresponds to the second partial view B, with the exception that additionally streptavidin-conjugated fluorescence molecules 605 or streptavidin molecules are shown. In the third partial view C it is shown how the strand 604 connected to the probe of the microarray 603 is fluorescently stained. For this purpose, a rinsing or staining solution in a binding buffer contains the streptavidin-conjugated fluorescence molecules 605. The streptavidin-conjugated fluorescence molecules 605 bind to the biotin-dUTPs 602 or biotin molecules and thus mark biotin-containing PCR product bound to the probe of the microarray 603.
Vorteilhafterweise lassen sich somit abhängig vom Thymin-Gehalt eines PCR- Produkts, einer Menge in der PCR eingesetzten dUTPs, einer Länge eines PCR-Advantageously, depending on the thymine content of a PCR product, an amount of dUTPs used in the PCR, a length of PCR
Produkts, etc. viele Fluoreszenzmoleküle 605 auf einem Spot des Mikroarrays 603 konzentriert gruppieren, was in einem starken Fluoreszenzsignal resultiert. Dadurch wird ermöglicht, selbst kleine Mengen eines PCR-Produktes mit dem Mikroarray 603 nachzuweisen. Dieser Nachweis kann mittels eines geeigneten mikrofluidischen Ablaufs auch beispielsweise in Echtzeit erfolgen. Products, etc. many fluorescence molecules 605 concentrate on a spot of the microarray 603, resulting in a strong fluorescence signal. This makes it possible to detect even small amounts of a PCR product with the microarray 603. This detection can also take place by means of a suitable microfluidic process, for example in real time.
Ein PCR-Reaktionsmix kann gemäß einem Ausführungsbeispiel ausschließlich Biotin-dUTPs enthalten, nicht aber Desoxythymidintriphosphate bzw. dTTPs. Somit lassen sich bei einer Synthese eines Produktstranges komplementär zu Adenin-Basen ausschließlich biotinkonjugierte Uracyl-Basen von einer Polymerase einbauen. Um eine Beeinflussung einer PCR-Effizienz zu minimieren oder eliminieren, werden biotin-dUTPs und dTTPs beispielsweise im Verhältnis fünf zu eins bis eins zu fünf eingesetzt. Weiterhin können zusätzlich zu Biotin- dUTPs und dTTPs auch Uridintriphosphate bzw. UTPs im Verhältnis x : y : z eingesetzt werden, wobei x, y, z die Zahlen zwischen eins und sechs in allenAccording to one embodiment, a PCR reaction mix can only contain biotin-dUTPs, but not deoxythymidine triphosphates or dTTPs. Thus, in a synthesis of a product strand complementary to adenine bases exclusively biotinkonjugierte uracyl bases of a Install polymerase. For example, to minimize or eliminate interference with PCR efficiency, biotin-dUTPs and dTTPs are used at a ratio of five to one to one to five. Furthermore, in addition to biotin dUTPs and dTTPs, uridine triphosphates or UTPs can also be used in the ratio x: y: z, where x, y, z are the numbers between one and six in all
Kombinationen einnehmen können. Somit können generierte PCR-Produkte mittels eines UNG-Verdaus (UNG = Uracil-DNA-glycosylase) für eine Combinations can take. Thus, generated PCR products by means of a UNG digestion (UNG = uracil DNA glycosylase) for a
Amplifikation in einer weiteren PCR unbrauchbar gemacht werden. Dies stellt eine vorteilhafte biochemische Maßnahme dar, um eine Folge von DNA- Kontaminationen zu bekämpfen. Amplification be made unusable in another PCR. This is an advantageous biochemical measure to combat a series of DNA contaminations.
Für das Anfärben wird gemäß einem Ausführungsbeispiel ein Reagenz verwendet, das als Hauptkomponente Natrium- Phosphatpuffer in einer For staining, according to one embodiment, a reagent is used which contains sodium phosphate buffer in one
Konzentration zwischen 10 und 1000 Millimol, vorteilhafterweise zwischen 50 und 150 Millimol, mit einem pH-Wert zwischen 6 und 9, vorteilhafterweise 7,2, enthält. Um unspezifische Wechselwirkungen mit Oberflächen zu minimieren, kann 0,1 % Tween 80 oder Tween 20 zugegeben werden. Hierbei wird fluoreszenzkonjugiertes Streptavidin 605 beispielsweise in Konzentrationen von 0,1 bis 100 Mikrogramm pro Milliliter, vorteilhafterweise von 1 bis 10 Mikrogramm pro Milliliter, zugegeben. Eine Dauer des Anfärbens kann zwischen 0,1 und 30Concentration between 10 and 1000 millimoles, advantageously between 50 and 150 millimoles, with a pH between 6 and 9, advantageously 7.2. To minimize non-specific interactions with surfaces, 0.1% Tween 80 or Tween 20 may be added. Here, fluorescence-conjugated streptavidin 605 is added, for example, in concentrations of 0.1 to 100 micrograms per milliliter, advantageously from 1 to 10 micrograms per milliliter. A duration of staining can be between 0.1 and 30
Minuten liegen, vorteilhafterweise zwischen 1 und 10 Minuten. Minutes, advantageously between 1 and 10 minutes.
Die Färbelösung kann gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der The dyeing solution according to an embodiment of the
Hybridisierung direkt oder nach einem vorgeschalteten Waschschritt auf das Mikroarray 603 gegeben werden. Vorteil der direkten Zugabe ist es, dass einHybridization be added directly or after an upstream washing step on the microarray 603. Advantage of direct addition is that one
Waschschritt eingespart werden kann und sich somit eine Einsparung von Zeit und Reagenzien ergibt. Nach dem Anfärben wird entweder mit einer Washing step can be saved and thus results in a saving of time and reagents. After staining is done either with a
Waschlösung oder nacheinander mit zwei Waschlösungen gewaschen. Bei Verwendung einer Waschlösung können folgende Parameter verwendet werden: 100 Millimol, Natrium- Phosphat- Puffer, pH 7,2, zwischen 0,1 und 10 MinutenWash solution or washed successively with two washings. When using a washing solution, the following parameters can be used: 100 millimoles, sodium phosphate buffer, pH 7.2, between 0.1 and 10 minutes
Inkubation, vorteilhafterweise zwischen 1 und 5 Minuten. Bei Verwendung von zwei Waschlösungen können folgende Parameter verwendet werden: für die erste Waschlösung 100 Millimol, Natrium- Phosphat- Puffer, pH 7,2, zwischen 0,1 und 10 Minuten Inkubation, vorteilhafterweise zwischen 1 und 5 Minuten; für die zweite Waschlösung 10 Millimol, Natrium- Phosphat- Puffer, pH 7,2, zwischen 0,1 und 10 Minuten Inkubation, vorteilhafterweise zwischen 1 und 5 Minuten. Danach wird das Mikroarray 603 entweder trocken geblasen oder mit einer auf die Oberfläche gepressten Membran ausgelesen. Anders ausgedrückt wird ein Verfahren bereitgestellt, bei dem die auf demIncubation, advantageously between 1 and 5 minutes. When using two wash solutions, the following parameters can be used: for the first wash solution 100 millimoles, sodium phosphate buffer, pH 7.2, between 0.1 and 10 minutes incubation, advantageously between 1 and 5 minutes; for the second wash 10 millimoles, sodium phosphate buffer, pH 7.2, between 0.1 and 10 minutes incubation, advantageously between 1 and 5 minutes. Thereafter, the microarray 603 is either blown dry or read out with a membrane pressed onto the surface. In other words, a method is provided in which the on the
Mikroarray 603 nach der Hybridisierung angebundenen DNA- Abschnitte molekular angefärbt werden. Dadurch lassen sich die gewonnenen Microarray 603 DNA sections attached after hybridization are molecularly stained. This allows the won
Fluoreszenzsignale verstärken und somit eine Sensitivität der Analyse verbessern, da vermieden werden kann, Nachweismoleküle, meistens Amplify fluorescence signals and thus improve a sensitivity of the analysis, since it can be avoided, detection molecules, mostly
Fluorophore, auf einer zweidimensionalen Oberfläche zu akkumulieren, um gut detektierbare Signale gegenüber dem Hintergrund zu liefern. Somit wird ein mikrofluidischer Ablauf mit chemischen Reagenzien vorgestellt, um an auf einem Mikroarray 603 angebundenen DNA-Abschnitten zusätzliche Fluorophore anzubinden. Die Sensitivität eines Mikroarrays 603 kann gesteigert werden, ohne Anpassungen des Mikroarrays wie zum Beispiel an Sondendesign, Bindechemie,Fluorophores accumulate on a two-dimensional surface to provide well-detectable signals against the background. Thus, a microfluidic procedure with chemical reagents is presented to attach additional fluorophores to DNA sections attached to a microarray 603. The sensitivity of a microarray 603 can be increased without adapting the microarray, for example, to probe design, binding chemistry,
Trägermaterial, Ausleseprinzip vornehmen zu brauchen. Es lässt sich die Sensitivität von Mikroarrays 603 verbessern, weil eine Anzahl an Fluorophoren pro gebundenem DNA-Abschnitt erhöht, beispielsweise mehr als verdoppelt, werden kann. Durch einen geeigneten mikrofluidischen Ablauf kann zudem ermöglicht werden, dass zu Teilabschnitten der Hybridisierung Signale durch molekulares Anfärben verstärkt werden, wodurch ein Auslesen schon während der Reaktion ermöglicht wird. Dies ist kostengünstig möglich, da insbesondere auf fluoreszenzgelabelte Primer verzichtet werden kann. Polymersubstrate können beispielsweise durch Fräsen, Spritzguss, Heißprägen oder Laserstrukturierung geeignet strukturiert werden, um eine Ausführung des Verfahrens zu ermöglichen. Das Mikroarray 603 kann entweder direkt im To make carrier material, readout principle. The sensitivity of microarrays 603 can be improved because a number of fluorophores per bound DNA segment can be increased, for example, more than doubled. By means of a suitable microfluidic process, it is also possible to enable signals to be amplified by molecular staining in subsections of the hybridization, thereby enabling read-out during the reaction. This is cost-effective, since in particular fluorescently labeled primers can be dispensed with. Polymer substrates may, for example, be patterned appropriately by milling, injection molding, hot stamping or laser structuring to allow implementation of the method. The microarray 603 can be either directly in
Polymer ausgeformt sein oder als Einlegeteil, beispielsweise aus Glas hergestellt in den Polymerschichtaufbau eingebracht werden. Polymer be formed or introduced as an insert, for example made of glass in the polymer layer structure.
Fig. 7 zeigt ein Säulendiagramm 700 mit Intensitätssignalen für verschiedene amplifizierte und hybridisierte DNA-Abschnitte. An einer Abszissenachse des Säulendiagramms 700 sind die verschiedenen amplifizierten und hybridisierten DNA-Abschnitte aufgetragen und an einer Ordinatenachse des Figure 7 shows a bar graph 700 with intensity signals for various amplified and hybridized DNA segments. The different amplified and hybridized DNA sections are plotted on an abscissa axis of the bar graph 700 and plotted on an ordinate axis of the column
Säulendiagramms 700 ist ein Zählergebnis in Zählern bzw. Zählwerten aufgetragen. Insbesondere ist auch eine Signalverstärkung durch Anfärben mit streptavidin-Cy3 D24 dargestellt. Für jeden analysierten DNA- Abschnitt sind drei Intensitätssignale bzw. Signale 710, 720, 730 aufgenommen. Ein erstes Signal 710 repräsentiert ein angefärbtes Mikroarray, ein zweites Signal 720 Column chart 700 is a count in counts applied. In particular, signal amplification by staining with streptavidin-Cy3 D24 is also shown. For each DNA segment analyzed, three intensity signals or signals 710, 720, 730 are recorded. A first signal 710 represents a stained microarray, a second signal 720
repräsentiert ein nicht angefärbtes Mikroarray und ein drittes Signal 730 repräsentiert eine Nicht- Template- Kontrolle. Die Mikroarrays wurden somit nach einer Hybridisierung entweder spezifisch angefärbt oder nicht. Es ist aus Fig. 7 erkennbar, dass deutlich mehr erste Signale 710 höher als eine bei 1000 Zählern definierte Detektionsgrenze sind als zweite Signale 720. represents a non-stained microarray and a third signal 730 represents a non-template control. The microarrays were thus either specifically stained or not after hybridization. It can be seen from FIG. 7 that significantly more first signals 710 are higher than a detection limit defined at 1000 counters than second signals 720.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. The embodiments described and shown in the figures are chosen only by way of example. Different embodiments may be combined together or in relation to individual features. Also, an embodiment can be supplemented by features of another embodiment.
Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Furthermore, the method steps presented here can be repeated as well as executed in a sequence other than that described.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder"- Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist. If an exemplary embodiment comprises an "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

Claims

Ansprüche claims
1. Mikrofluidische Vorrichtung (100) zum Analysieren einer Probe A microfluidic device (100) for analyzing a sample
biologischen Materials, wobei die mikrofluidische Vorrichtung (100) folgende Merkmale aufweist: einen Amplifikationsabschnitt (110) mit zumindest einer  biological material, the microfluidic device (100) comprising: an amplification section (110) having at least one
Reaktionskammer (111, 112, 113) zum Durchführen einer Polymerase- Kettenreaktion mit einer Mehrzahl von Zyklen für eine Amplifikation der Probe, wobei die zumindest eine Reaktionskammer (111, 112, 113) ausgebildet ist, um eine Denaturierung von Zielmolekülen der Probe, eine Primerhybridisierung von denaturierten Zielmolekülen der Probe und eine Elongation von primerhybridisierten Zielmolekülen der Probe zu ermöglichen; zumindest eine Nachweiskammer (130) zum wiederholten Ausführen von Nachweisreaktionen an denaturierten Zielmolekülen der Probe aus unterschiedlichen Zyklen der Polymerase- Kettenreaktion, wobei die zumindest eine Nachweiskammer (130) fluidisch mit dem  A reaction chamber (111, 112, 113) for conducting a polymerase chain reaction having a plurality of cycles for amplification of the sample, wherein the at least one reaction chamber (111, 112, 113) is adapted to denature target molecules of the sample, a primer hybridization allow denatured target molecules of the sample and elongation of primer-hybridized target molecules of the sample; at least one detection chamber (130) for the repeated execution of detection reactions on denatured target molecules of the sample from different cycles of the polymerase chain reaction, wherein the at least one detection chamber (130) fluidly with the
Amplifikationsabschnitt (110) verbunden ist; und zumindest eine Vorrichtung zum Transport (120) zum wiederholten Fördern der Probe zwischen dem Amplifikationsabschnitt (110) und der zumindest einen Nachweiskammer (130).  Amplification section (110) is connected; and at least one transporting device (120) for repeatedly conveying the sample between the amplification section (110) and the at least one detection chamber (130).
2. Mikrofluidische Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, dadurch 2. Microfluidic device (100) according to claim 1, characterized
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Transport in der zumindest einen Reaktionskammer (111, 112, 113) und/oder in der zumindest einen Nachweiskammer (130) angeordnete, auslenkbare Membranen zum Verdrängen eines Volumens der Probe aufweisen. Mikrofluidische Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Transport eine mit dem Amplifikationsabschnitt (110) und der zumindest einen Nachweiskammer (130) fluidisch verbundene Pumpkammer (120) aufweisen. characterized in that the device for transport in the at least one reaction chamber (111, 112, 113) and / or in the at least one detection chamber (130) arranged, deflectable membranes for displacing a volume of the sample. Microfluidic device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the device for transport have a pumping chamber (120) fluidically connected to the amplification section (110) and the at least one detection chamber (130).
Mikrofluidische Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch Temperiermittel zum Temperieren der zumindest einen Reaktionskammer (111, 112, 113) und der zumindest einen Nachweiskammer (130) auf jeweilige Zieltemperaturen. Microfluidic device (100) according to one of the preceding claims, characterized by tempering means for controlling the temperature of the at least one reaction chamber (111, 112, 113) and the at least one detection chamber (130) to respective target temperatures.
Mikrofluidische Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Amplifikationsabschnitt (110) und die zumindest eine Nachweiskammer (130) in einem mikrofluidischen Netzwerk fluidisch miteinander verbunden sind, sodass ein zyklischer und/oder unidirektionale Ablauf ermöglicht wird. Microfluidic device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the amplification section (110) and the at least one detection chamber (130) are fluidically interconnected in a microfluidic network, so that a cyclical and / or unidirectional sequence is made possible.
Mikrofluidische Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine bezüglich der zumindest einen Nachweiskammer (130) parallel geschaltete Umgehungsleitung (150) und/oder eine mit dem Amplifikationsabschnitt (110) und der zumindest einen Nachweiskammer (130) fluidisch verbundene Ausgleichskammer (140). Microfluidic device (100) according to one of the preceding claims, characterized by a bypass line (150) connected in parallel with respect to the at least one detection chamber (130) and / or a compensation chamber fluidically connected to the amplification section (110) and the at least one detection chamber (130) ( 140).
Mikrofluidische Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Amplifikationsabschnitt (110) eine Mehrzahl von fluidisch miteinander verbundenen Microfluidic device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the amplification section (110) has a plurality of fluidically interconnected
Reaktionskammern (111, 112, 113) aufweist, wobei eine erste Reaction chambers (111, 112, 113), wherein a first
Reaktionskammer (111) ausgebildet ist, um die Denaturierung von Zielmolekülen der Probe zu ermöglichen, wobei eine zweite Reaction chamber (111) is formed to allow the denaturation of target molecules of the sample, wherein a second
Reaktionskammer (113) ausgebildet ist, um die Primerhybridisierung von denaturierten Zielmolekülen der Probe zu ermöglichen, wobei eine dritte Reaktionskammer (112) ausgebildet ist, um die Elongation von primerhybridisierten Zielmolekülen der Probe zu ermöglichen, wobei die Vorrichtung zum Transport (120) zum wiederholten Fördern der Probe zwischen den Reaktionskammern (111, 112, 113) ausgebildet sind. Reaction chamber (113) is formed to allow the primer hybridization of denatured target molecules of the sample, wherein a third reaction chamber (112) is formed to allow the elongation of primer-hybridized target molecules of the sample, wherein the Device for transport (120) for repeatedly conveying the sample between the reaction chambers (111, 112, 113) are formed.
Verfahren (500) zum Analysieren einer Probe biologischen Materials, wobei das Verfahren (500) folgende Schritte aufweist: A method (500) of analyzing a sample of biological material, the method (500) comprising the steps of:
Durchführen (510) einer Denaturierung von Zielmolekülen der Probe als Teilschritt einer Polymerase- Kettenreaktion in einem Performing (510) denaturing target molecules of the sample as a part of a polymerase chain reaction in one
Amplifikationsabschnitt (110) einer mikrofluidischen Vorrichtung (100) mit zumindest einer Reaktionskammer (111, 112, 113) zum Durchführen einer Polymerase- Kettenreaktion mit einer Mehrzahl von Zyklen für eine Amplifikation der Probe; An amplification section (110) of a microfluidic device (100) having at least one reaction chamber (111, 112, 113) for conducting a polymerase chain reaction having a plurality of cycles for amplification of the sample;
Fördern (520) der Probe von dem Amplifikationsabschnitt (110) in zumindest eine fluidisch mit dem Amplifikationsabschnitt (110) verbundene Nachweiskammer (130); Conveying (520) the sample from the amplification section (110) into at least one detection chamber (130) fluidly connected to the amplification section (110);
Ausführen (530) von Nachweisreaktionen an denaturierten Perform (530) detection reactions on denatured
Zielmolekülen der Probe in der zumindest einen Nachweiskammer (130); Target molecules of the sample in the at least one detection chamber (130);
Zurückfördern (540) der Probe aus der zumindest einen Feeding back (540) the sample from the at least one
Nachweiskammer (130) in den Amplifikationsabschnitt (110); und Detection chamber (130) in the amplification section (110); and
Bewirken (550) einer Primerhybridisierung von denaturierten Effecting (550) a primer hybridization of denatured
Zielmolekülen der zurückgeförderten Probe und einer Elongation von primerhybridisierten Zielmolekülen der zurückgeförderten Probe in dem Amplifikationsabschnitt (110). Target molecules of the returned sample and an elongation of primerhybridisierten target molecules of the returned sample in the amplification section (110).
Verfahren (500) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte (510, 520, 530, 540, 550) für jeden Zyklus der Polymerase- Kettenreaktion wiederholt werden. A method (500) according to claim 8, characterized in that the steps (510, 520, 530, 540, 550) are repeated for each cycle of the polymerase chain reaction.
10. Verfahren (500) gemäß Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch einen Schritt (560) des Vollziehens eines molekularen Anfärbeprozesses (600) der primerhybridisierten Zielmoleküle. The method (500) of claim 8 or 9, characterized by a step (560) of performing a molecular staining process (600) of the primer hybridized target molecules.
11. Vorrichtung, die ausgebildet ist, um alle Schritte eines Verfahrens (500) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10 durchzuführen und/oder anzusteuern. 11. Device which is designed to perform and / or control all the steps of a method (500) according to one of claims 8 to 10.
12. Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines 12. Computer program that is set up to take all the steps of a
Verfahrens (500) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10 durchzuführen und/oder anzusteuern.  Method (500) according to any one of claims 8 to 10 perform and / or to control.
13. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 12. 13. A machine-readable storage medium with a computer program stored thereon according to claim 12.
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