Tropfenbasierte mikrofluidische Systeme sind in der Analytik und im Screening etabliert. Dabei kommen aus mikrofluidischen Funktionseinheiten gebildete, fluidische Netzwerke zur Anwendung. Die hier vorgestellte neuartige Funktionseinheit kann in derartige Netzwerke integriert werden und bietet die Möglichkeit, das Tropfenvolumen für einen Mikrokanal mit größeren Tropfenvolumen anzupassen sowie Probe- und Reagenztropfen miteinander zu vereinigen. 

Mikrofluidische Systeme erlauben eine effiziente Prozessierung von chemischen Analysen und Screenings hinsichtlich der Interaktion von Mikroorganismen/Zellen und Wirkstoffen. Die tropfenbasierte Mikrofluidik prozessiert Tropfen als winzige Reaktionsgefäße in mikrofluidischen Netzwerken. Diese Netzwerke basieren auf verschiedenen technischen Ansätzen, wie etwa Kapillar-Schläuchen oder Kanälen mit mikrofluidischen Chips. Die prozessierten Tropfen haben je nach Art des Netzwerkes spezifische charakteristische Volumen, welche sich aus den Durchmessern der Mikrokanäle ableiten. Für die Erweiterung der Funktion und die Erhöhung des Durchsatzes ist es nötig, diese Netzwerke zu größeren Prozessketten/Prozesskreisläufen zusammenzuschalten. Hierfür wird eine Volumenanpassung der Tropfen auf das folgende Netzwerk benötigt. Die hier vorgestellte selbstkontrollierende Funktionseinheit bietet dies in Form von einfachem Zudosieren bis hin zur Möglichkeit, dabei Wirkstoffe zu kombinieren.

Tropfenbasierte mikrofluidische Netzwerke aus vielen Funktionseinheiten, wie z. B. die Tropfenerzeugung, das Zudosieren von Reagenzien, das Teilen, das Vereinigen und das Mischen in Tropfen arbeiten selbstkontrollierend. Damit wird der Aufwand für die Steuerung des Netzwerkes verringert und die Betriebsstabilität erhöht. Die hier vorgestellte Einheit nutzt dafür Düsen und Beipässe, welche von den gerade prozessierten Tropfen selbsttätig verschlossen bzw. freigegeben werden. Die Kräfte für die Schaltvorgänge werden dabei durch die strömenden Flüssigkeiten und durch die Oberflächenspannung der Phasengrenzflächen zwischen Tropfen-Flüssigkeit und Separations-Flüssigkeit generiert. Der Funktionsablauf der Volumenerhöhung folgt dabei dem Ablauf der folgenden Abbildung. 

Im Bild: 
Zyklus einer Volumenerhöhung am Beispiel von 2 Tropfen. a/b/c – die Hauptkammer wird von links mit einem blauen Tropfen befüllt. Kontinuierlich fließt Separationsmedium (hell) durch die Hauptkammer und über den Beipass nach rechts zum Auslaufkanal. Über den Kanal i/h wird bereits ein größerer Tropfen aus Puffer gebildet. d – unter Einwirkung des elektrischen Wechselfeldes vereinigen sich alle Tropfen bei Berührung und vermischen sich. Währenddessen wird weiter Puffer gefördert und der vereinigte Tropfen wächst. d/f – die Phasengrenzfläche des Tropfens bewegt sich durch dessen Wachstum auf die Düse e des Beipasses f zu und verschließt diesen. Dadurch kann das Separationsmedium nicht mehr durch den Beipass abfließen, Druck baut sich auf und treibt den Tropfen durch die Hauptdüse d in Richtung Auslasskanal. g – Der sich trichterförmig öffnende Auslasskanal zwingt den Tropfen nach dessen Durchtritt auf Grund der Phasengrenzflächenspannung zur Expansion in den Auslasskanal. h – nun ist die Düse g des Beipasses f verschlossen und der Tropfen wird weiter aus der Hauptkammer ausgetrieben. i – Die Hauptströmung des Separationsmediums treibt den Tropfen weiter in Richtung Auslasskanal. Dabei erfolgt der Abriss vom Zulaufkanal Puffer i/h wegen dessen im Querschnitt limitierten Zulaufes h. Hier ist der Ablauf als Video

Neben der Adaption des Volumens bietet die Funktionseinheit die Möglichkeit, eine Konzentrationsreihe zu erzeugen. Dafür werden unterschiedlich viele Tropfen zusammen mit entsprechend weniger Puffer auf das Zielvolumen gebracht.

Eine weitere Funktion ist das Einbringen von Kombinatorik in ein Screeningverfahren, da oftmals eine mikrobiologische Antwort von mehreren Wirkstoffen abhängig ist. Dabei wird das Volumen eines Tropfens nicht mit Puffer erhöht, sondern mehrere Tropfen mit unterschiedlichem Inhalt zu einem Tropfen mit Zielvolumen vereinigt. Die Zuführung von Puffer über den Kanal i/h ist dabei nicht nötig. Diese Kombination wird dann im Folgenetzwerk weiter prozessiert, womit komplexere selbstkontrollierende mikrofluidische Netzwerke möglich werden. 

Im Bild oben: 
Kanalstruktur der Funktionseinheit mit Elektroden (j, schraffiert). a – Zuflusskanal, b – Hauptkammer, c – Abflusskanal, d – Hauptdüse, f – Beipass mit Düsen e und g, h/i – Zulaufkanal für Puffer