Möglichkeiten zur Verbesserung der Genauigkeit der mikrofluidischen Steuerung

von Troy Stehr

21. August 2023

15:00

Troy Stehr, Branchen-Accountmanager für Labor- und Medizintechnikanwendungen beim Flüssigkeitskontrollspezialisten Bürkert, erörtert die Anforderungen für eine genaue mikrofluidische Kontrolle.

Reagenzien sind ein wesentlicher Bestandteil der Forschung in den Biowissenschaften, und das Ergebnis ihrer chemischen Reaktion mit anderen Substanzen durch Messung, Erkennung oder Untersuchung eines Ergebnisses ist für die Entwicklung medizinischer Behandlungen von entscheidender Bedeutung. Wesentlich für diesen Prozess ist eine genaue, wiederholbare Kontrolle der Reagenziendosierung in Mikrofluidikvolumina bis zu 1 µl und weniger. Die gleichen Anforderungen gelten auch für die Genomik, beispielsweise die Durchführung einer Polymerase-Kettenreaktionstechnik (PCR) zur Amplifikation ausgewählter DNA-Segmente. Eine genaue und zuverlässige mikrofluidische Dosierung kann bei vielen medizinischen Anwendungen auch lebenswichtig sein.

Heutzutage können Maschinen die manuelle Handhabung von Pipetten durch eine genauere und gleichmäßigere Dosierung ersetzen. Die Automatisierung spart nicht nur die Zeit qualifizierter Fachkräfte, sondern die schnelle Dosierung mehrerer Kanäle verbessert auch die Produktivität. Um diese Ergebnisse zu erzielen, ist das Ventilsteuerungssystem einer Dosiermaschine in hohem Maße erforderlich.

Offener oder geschlossener Kreislauf?

Das Verständnis der erforderlichen Dosiergenauigkeit ist typischerweise der Ausgangspunkt bei der Spezifikation des Ventilsystems. Patienten werden auf der Grundlage von Laborergebnissen behandelt oder diagnostiziert, sodass die Genauigkeitsanforderung der beabsichtigten Beurteilung die Dosierungspräzision bestimmt, die das Gerät liefern muss. Die Optimierung der Volumennutzung ist auch wichtig, um die Kosten zu kontrollieren, sowohl bei der Verwendung als auch bei der Entsorgung einiger sehr teurer Reagenzien und beteiligter Substanzen.

Die Zeit-Druck-Dosierung ist für viele mikrofluidische Anwendungen ausreichend und bietet eine Präzision von <1 % mit einer wiederholbaren volumetrischen Genauigkeit zwischen 2 und 5 %. Bei dieser Technik wird der Medienfluss durch das Öffnen oder Schließen des Ventils für eine definierte Zeit pro Schaltzyklus gesteuert. Durch die Verwendung von Luft oder einem Inertgas zur Druckbeaufschlagung des Flüssigkeitsreservoirs in Kombination mit einem Dosierventil ermöglicht diese Technik eine kontrollierte Dosierung bis hin zu Volumina im einstelligen µl-Bereich (Mikroliter).

Die Mikroventile von Bürkert für die Zeitdruckdosierung sind in der Lage, Steuersignalschritte von ~10 μs (Mikrosekunden) für eine hochgenaue Ventilsteuerung von weniger als 1 % durchzuführen. Für noch höhere Genauigkeitsanforderungen bietet Bürkert auch eine Ventilsteuerung mit geschlossenem Regelkreis an. Diese Systeme verfügen über einen Sensor, der eine Rückmeldung über den tatsächlichen Ventilstatus liefert und so eine konstante Anpassung der Öffnungs-/Schließraten des Ventils ermöglicht. Alternativ arbeitet ein System mit offenem Regelkreis, wie z. B. die Zeit-Druck-Dosierung, ausschließlich auf dem Eingangsbefehl des Ventils, unabhängig von Änderungen, die sich auf seine Schaltzeit und damit auf das tatsächliche Dosiervolumen auswirken könnten.

μl- und nl-Dosiergenauigkeit

Systeme mit geschlossenem Regelkreis arbeiten oft nach dem Coriolis-Prinzip, bei dem Vibrationen eines flüssigkeitsführenden Rohrs gemessen werden und ein daraus resultierender flussproportionaler Ausgang entsteht. Mit dieser Technologie kann der Massendurchflussregler/-messer von Bürkert eine Dosiergenauigkeit bei Mengen unter 1 ml erreichen. Eine neue Innovation soll jedoch das erste auf den Markt kommende Gerät mit μl (Mikroliter)-Messung und Regelgenauigkeit im geschlossenen Regelkreis sein, bei dem ein Differenzdrucksensor zusammen mit einem Ventil in ein Gerät integriert ist. Das neue Dosiersystem von Bürkert misst und regelt Mengen bis zu 50 nl (Nanoliter), mit einer Genauigkeit von weniger als 1 %, die bisher über Millionen von Zyklen in Versuchen gemessen wurde.

Entscheidend für die zeitliche Kontrolle ist die Kompatibilität zwischen den Medien und dem Material des Flüssigkeitsblocks und der Dichtungen, insbesondere wenn mehrere Reagenzien und Substanzen beteiligt sind. Abhängig von den Medieneigenschaften können unterschiedliche Dichtungsmaterialien erforderlich sein und deren Auswahl erfordert sorgfältige Überlegungen. Kompatibilitätsprobleme können zu aufgequollenen Dichtungen bis hin zum Bruch im Laufe der Zeit führen, und beim Umgang mit Mikrofluidik werden die daraus resultierenden Steuerungsprobleme noch verstärkt. Innerhalb des Bürkert-Systems sind PEEK, das für Ventilkörper verwendet wird, und das Dichtungsmaterial FFKM oder EPDM die einzigen medienberührenden Materialien.

Präzisionsgefertigte Verteiler

Um den Medienfluss zu trennen und zu steuern, benötigt das Ventilsystem eine Verteileranordnung mit einer Anzahl von Ein- und Auslässen, die der Vielfalt der benötigten Substanzen entspricht. Die Einbeziehung maßgeschneiderter Verteilerkonstruktion und -fertigung in das ausgewählte Ventil ist insbesondere für mikrofluidische Anwendungen von Vorteil, um ein optimiertes Druckmanagement und Wärmeaustauscheigenschaften sicherzustellen. Je nach Ventildesign unterliegt der Verteiler auch der Materialkompatibilität, sodass die Verwendung desselben Anbieters eine größere Sicherheit für ein effizientes Ergebnis bietet. Bürkert-Präzisionsingenieure fertigen maßgeschneiderte Kunststoff-Spritzgussverteiler speziell für mikrofluidische Steuerungsanwendungen.

Um die Produktivität zu optimieren, sind möglicherweise 10 oder mehr Kanäle mit Hochgeschwindigkeitsdosierung erforderlich. Kombiniert mit wiederholbarer Genauigkeit, um Systemzuverlässigkeit über Millionen von Ventilzyklen zu erreichen, bestätigt eine Ferndiagnosefunktion, die durch Industrie 4.0-Ethernet-Kommunikation ermöglicht wird, die tatsächlichen Ventilbetriebsdaten. Durch diese Funktion entfällt nicht nur die Zeit, die für eine physische Kontrolle durch den Menschen erforderlich ist, sondern sie bietet auch die Gewissheit, dass die Wellplatten mit dem richtigen Volumen und Verhältnis der Reagenzien gefüllt sind, was durch eine manuelle Inspektion allein nicht erreicht werden kann.

von Troy Stehr

21. August 2023

15:00