gesponsertLiquid Handling Mikrofluidik neu denken: Leistung, Zukunftsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit verbessern

Gesponsert von

LEE Hydraulische Miniaturkomponenten GmbH

Die Anforderungen an moderne Analyse-, Diagnostik- und Life-Science-Systeme steigen kontinuierlich. Sequenzierungsplattformen, PCR-Systeme und Organ-on-a-Chip-Technologien müssen heute nicht nur präziser und leistungsfähiger arbeiten, sondern gleichzeitig kompakter, wirtschaftlicher und einfacher zu skalieren sein. Fluid-Control-Systeme können hierbei entscheidende Differenzierungsmerkmale sein. 

Lange Zeit wurden Pumpsysteme und Ventile für labortechnische Geräte lediglich als notwendige Infrastruktur betrachtet, deren Aufgabe darin bestand, Flüssigkeiten zuverlässig durch ein mikrofluidisches System zu bewegen. Heute zeigt sich jedoch, dass leistungsfähige und innovative Fluid-Control-Lösungen die Präzision der Fluidführung, den Wartungsaufwand, Reagenzienverbrauch, die Skalierbarkeit und die Gesamtbetriebskosten maßgeblich beeinflussen.

Versteckte Kosten mechanischer Fluid-Control-Systeme

In zahlreichen Analyse- und Laboranwendungen kommen nach wie vor Spritzenpumpen und Drehventile zum Einsatz. Diese etablierten Technologien bringen Nachteile mit sich, die in modernen Hochdurchsatzsystemen zunehmend ins Gewicht fallen.

Neben hohen Anschaffungskosten verschleißen mechanisch arbeitende Pumpen und Ventile schnell und verursachen somit regelmäßigen Wartungsaufwand, da sie ersetzt werden müssen. Kalibrierungen sind erforderlich und Ausfallzeiten können die Verfügbarkeit eines Instruments erheblich beeinträchtigen. Besonders bei Systemen mit mehreren Flow Cells stoßen klassische Architekturen häufig an Skalierungsgrenzen. Zusätzliche Kanäle erfordern oftmals weitere Pumpen, Ventile und Sensoren, wodurch Integrations- und Kalibrierungsaufwand sowie Wartungskosten deutlich zunehmen.

Hinzu kommen Betriebskosten durch Totvolumina innerhalb des Fluidsystems. Jeder Mikroliter Reagenz, der in Leitungen, Verteilern oder Ventilen verbleibt, erhöht die Kosten pro Analyse. Da viele molekularbiologische Anwendungen mit hochpreisigen Reagenzien arbeiten, kann selbst eine geringe Reduzierung dieser Verluste erhebliche wirtschaftliche Vorteile bieten. Gleichzeitig erhöhen komplexe Strömungswege das Risiko von Carry-over-Effekten und Kontaminationen, was zusätzliche Spülzyklen und damit einen höheren Ressourcenverbrauch nach sich zieht.

Warum Flow Cells besonders hohe Anforderungen stellen

Wenn Flüssigkeiten präzise durch Flow Cells oder mikrofluidische Chips geführt werden müssen, beeinflusst die Fluid-Control-Qualität unmittelbar die Qualität der Analyseergebnisse. Bereits geringe Druckschwankungen, Luftblasen oder turbulente Strömungen können die Reproduzierbarkeit beeinträchtigen, Assays verfälschen oder im schlimmsten Fall einen kompletten Analysezyklus unbrauchbar machen.

Für Geräteentwickler bedeutet dies einen permanenten Balanceakt zwischen minimalem Totvolumen, hoher Spülbarkeit, maximaler Präzision und wirtschaftlicher Produktion. Gleichzeitig müssen die eingesetzten Komponenten gegenüber aggressiven Reagenzien beständig sein und über Millionen von Schalt- und Förderzyklen hinweg zuverlässig funktionieren. Die Herausforderung besteht daher nicht mehr allein in der Auswahl einzelner Komponenten, sondern in der Entwicklung eines ganzheitlich optimierten Fluid-Control-Systems.

Vorteile von Air-over-Liquid

Vor diesem Hintergrund gewinnt die luftdruckbasierte Fluidförderung zunehmend an Bedeutung. Im Gegensatz zu klassischen Verdrängerpumpen wird die Flüssigkeit dabei nicht direkt gefördert. Stattdessen wird ein definierter Druck auf den Luftraum eines Reservoirs ausgeübt, der die Flüssigkeit kontrolliert durch das mikrofluidische System bewegt. Dieses sogenannte Air-over-Liquid- oder Pressure-Driven-Flow-Prinzip trennt die pneumatischen Komponenten vollständig vom eigentlichen Flüssigkeitspfad.

Die Vorteile dieser Architektur reichen weit über die reine Förderung des Fluids hinaus. Da die Flüssigkeit nicht durch die Pumpe selbst transportiert wird, sinken Risiken durch Materialinkompatibilitäten, Kontaminationen oder Verschleiß. Gleichzeitig ermöglichen moderne Sensoren und geschlossene Regelkreise eine präzise Steuerung von Druck- und Durchflussprofilen. Selbst bei Änderungen von Viskosität oder Strömungswiderstand lassen sich konstante Förderbedingungen aufrechterhalten.

Miniaturpumpe für höchste Ansprüche

Die piezoelektrische Disc Pump von Lee ist für dieses Wirkprinzip entwickelt worden. Während klassische Druckquellen oft groß, schwer und pulsationsbehaftet arbeiten, ermöglicht die Disc Pump eine äußerst kompakte und präzise Druckerzeugung. Mit ihrer geringen Baugröße von wenigen Millimetern in der Höhe und einem Durchmesser von 30 mm lässt sie sich selbst in anspruchsvollste Bauräume integrieren und eröffnet neue Möglichkeiten für die Miniaturisierung komplexer Analyseplattformen.

Ihr wesentliches Merkmal ist der pulsationsfreie Ultraschallbetrieb mit 20.000 Hz. Dadurch lassen sich stabile laminare Strömungen erzeugen, wie sie insbesondere in Sequenzierungsplattformen, PCR-Systemen, Organ-on-a-Chip-Anwendungen und mikrofluidischen Analysegeräten gefordert werden. Gleichzeitig reagiert die Disc Pump aufgrund ihrer piezoelektrischen Ansteuerung innerhalb von Millisekunden auf Veränderungen im System. In Verbindung mit Druck- und Durchflusssensoren entstehen hochdynamische Regelkreise, die kontinuierlich auf Veränderungen der Fluidik reagieren können.

Diese schnelle Reaktionsfähigkeit ermöglicht nicht nur eine präzise Dosierung von Flüssigkeiten. Sie erlaubt auch die Überwachung von Fluidwiderständen innerhalb eines Chips und liefert wertvolle Informationen über biologische oder mechanische Veränderungen im Prozess. Druckspitzen durch Luftblasen, Verstopfungen oder Veränderungen im Assay können frühzeitig erkannt und kompensiert werden. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit erfolgreicher Analysezyklen und gleichzeitig sinkt der Ressourcenverbrauch durch fehlgeschlagene Messungen.

Entwickler begegnen pneumatischen Systemen jedoch immer noch mit Skepsis. Häufig wird angenommen, dass druckbasierte Fluidik nicht die erforderliche Präzision erreicht oder Luftblasenbildung begünstigt. Moderne Systeme zeigen jedoch ein anderes Bild.Die hohe Regelgeschwindigkeit der Disc Pump ermöglicht eine deutlich schnellere Anpassung an veränderte Prozessbedingungen als viele konventionelle Spritzenpumpen. Dadurch können Durchflussraten und Druckprofile mit hoher Genauigkeit eingehalten werden. Der pulsationsarme Betrieb reduziert zudem das Risiko von Luftblasenbildung. 

Systeme auf Basis der Disc Pump bieten somit eine Kombination aus Präzision, Stabilität und Prozesssicherheit, die den Anforderungen aktueller Diagnostik- und Analyseplattformen in vollem Umfang gerecht wird.

Anwenderfreundliche Skalierbarkeit

Ein weiterer Vorteil druckbasierter Systeme zeigt sich bei der Skalierung. Während herkömmliche Spritzenpumpen häufig kanalweise erweitert werden müssen, können pneumatische Systeme mehrere Fluidströme über gemeinsame Druckschienen versorgen. Dies reduziert den Bauraum und vereinfacht die Integration zusätzlicher Analysekanäle erheblich.

Insbesondere die Kombination aus Disc Pump, Sensorik und Miniaturventilen ermöglicht kompakte Fluid-Control-Systeme, die mehrere Flow Cells gleichzeitig versorgen können. Für Hersteller von Sequenzierungsplattformen oder Hochdurchsatzsystemen eröffnet dies neue Möglichkeiten, die Leistungsfähigkeit ihrer Geräte zu erhöhen, ohne Größe und Komplexität proportional wachsen zu lassen.

Zukunftssichere Lösungen

Fluid-Control-Lösungen entwickeln sich vom unterstützenden Subsystem zum Differenzierungsmerkmal moderner Analyse- und Diagnostikgeräte. Während traditionelle Architekturen weiterhin ihre Berechtigung haben, stoßen sie bei Themen wie Skalierbarkeit, Wartungsaufwand und Systemkosten zunehmend an Grenzen.Air-over-Liquid-Systeme bieten innovative Ansätze. Die Disc Pump verbindet kompakte Bauweise, hohe Regelgenauigkeit, pulsationsfreie Strömung und lange Lebensdauer in einer einzigen Komponente. Damit adressiert sie zentrale Herausforderungen moderner Mikrofluidiksysteme und unterstützt Hersteller dabei, leistungsfähigere, wirtschaftlichere und zukunftssichere Instrumente zu entwickeln.