WO2005028066A1 - Device for separating gas or liquid from microfluidic through-flow systems - Google Patents

Device for separating gas or liquid from microfluidic through-flow systems Download PDF

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WO2005028066A1 PCT/EP2004/009430 EP2004009430W WO2005028066A1 WO 2005028066 A1 WO2005028066 A1 WO 2005028066A1 EP 2004009430 W EP2004009430 W EP 2004009430W WO 2005028066 A1 WO2005028066 A1 WO 2005028066A1
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Herbert Harttig
Ulrike Kamecke
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Roche Diagnostics Gmbh
F. Hoffmann-La Roche Ag
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Abstract

The invention relates to the technical field of microfluidic through-flow systems involving the separation of gas or liquid, preferably carried out irrespective of position. The inventive device is characterized by the combined use of a hydrophilic and hydrophobic membrane.

Description

Vorrichtung zur Gas- oder Flüssigkeitsabscheidung aus mikrofluidischen DurchflusssystemenDevice for gas or liquid separation from microfluidic flow systems
Die Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet von mikrofluidischen Durchflusssystemen, bei denen eine Gas- bzw. Flüssigkeitsabscheidung erfolgt, die vorzugsweise lageunabhängig betrieben werden kann.The invention relates to the technical field of microfluidic flow systems in which gas or liquid separation takes place, which can preferably be operated independently of the position.
Der Anwendungsbereich mikrofluidischer Durchflusssysteme ist vielfältig und liegt unter anderem in der Analysetechnik zur medizinischen Diagnostik. Insbesondere in der modernen Diagnostik findet hierbei der Einsatz mikrofluidischer Systeme häufigThe area of application of microfluidic flow systems is diverse and includes analysis technology for medical diagnostics. Especially in modern diagnostics, microfluidic systems are often used
Anwendung. Dies ist u.a. dadurch begründet, dass es in der modernen Diagnostik immer mehr Bestrebungen gibt, den Zustand eines Patienten kontinuierlich zu überwachen. Aufgrund kontinuierlicher Analyseergebnisse ist es somit möglich, eine optimale Diagnose sowie Therapie für den Patienten individuell erzielen zu können. Für eine kontinuierliche Überwachung eines Patientenzustandes muss sich der Patient jedoch einer fortdauernden Untersuchung unterziehen, sodass der Patient gezwungen wird, ein entsprechendes Analysesystem stets bei sich zu tragen. Sind derartige Langzeituntersuchungen nicht nur für den stationären Aufenthalt in einem Krankenhaus vorgesehen, sondern sollen sich auch für den Alltag eines Patienten als tauglich erweisen, werden hierdurch bedingt hohe Anforderungen an ein komfortables Handling des Analysesystems gestellt. Hieraus ergibt sich zwingend, die Größe der eingesetzten Analysesysteme weitestgehend zu minimieren, sodass der Patient dasApplication. This includes justified by the fact that in modern diagnostics there are more and more efforts to continuously monitor a patient's condition. Based on continuous analysis results, it is therefore possible to achieve an optimal diagnosis and therapy for the patient individually. For continuous monitoring of a patient's condition, however, the patient must undergo a continuous examination, so that the patient is forced to always carry an appropriate analysis system with him. If such long-term examinations are not only intended for inpatient stays in a hospital, but should also prove to be suitable for a patient's everyday life, this places high demands on comfortable handling of the analysis system. This means that the size of the analysis systems used must be minimized as much as possible, so that the patient can
System im Alltag unauffällig und wenig störend mit sich führen kann. Dem Patient soll hierbei ein möglichst kleines sowie robustes Gerät zur Verfügung gestellt werden, sodass die betreffende Person in ihrer Bewegungsfreiheit nur minimal eingeschränkt wird.System can be inconspicuous and less disruptive in everyday life. The patient should be provided with a device that is as small and robust as possible, so that the person concerned is only minimally restricted in his freedom of movement.
Eine kontinuierliche oder zumindest quasi kontinuierliche Überwachung eines Patientenzustandes auch außerhalb des stationären Bereiches ist in der Medizin, insbesondere in dem Gebiet des Diabetesmonitoring wünschenswert. Durch eine kontinuierliche Überwachung des Glucosespiegels können einerseits drohende hypoglykämische Zustände, die zum Tod des Patienten führen können, rechtzeitig erkannt werden als auch andererseits eine Warnung vor hyperglykämischen Zuständen erfolgen, die in der Regel mit Langzeitschäden (Erblindung, Gangräne, usw.) verbunden sind. Es sind daher in letzter Zeit erhebliche Anstrengungen unternommen worden, eine kontinuierliche Überwachung des Blutzuckerspiegels eines Patienten zu ermöglichen. Im Nachfolgenden wird ohne Beschränkung auf die Allgemeinheit der Einsatz mikofluidischer Durchflusssysteme am Beispiel der Glucosekonzentrationsmessung bei Diabetes näher beschrieben.Continuous or at least quasi-continuous monitoring of a patient's condition, even outside the inpatient area, is desirable in medicine, particularly in the field of diabetes monitoring. Through continuous monitoring of the glucose level, on the one hand, impending hypoglycemic conditions that can lead to the patient's death can be recognized in good time, and on the other hand, a warning of hyperglycemic conditions take place, which are usually associated with long-term damage (blindness, gangrene, etc.). Therefore, considerable efforts have recently been made to enable continuous monitoring of a patient's blood sugar level. In the following, the use of micofluidic flow systems will be described in more detail using the example of measuring glucose concentration in diabetes without being restricted to the general public.
Konventionelle Wege den Glucosegehalt von Blut zu überwachen, werden häufig durch tragbare Vorrichtungen, sogenannte Blutzuckermessgeräte, verwirklicht. Ein Nachteil dieser Analysemethode liegt jedoch darin, dass zunächst eine Wunde zur Blutentnahme in einen Körperteil des Patienten erzeugt werden muss, bevor der Patient anschließend das Blut auf ein analytspezifisches Testelement aufgeben kann. Das Testelement wird in einem tragbaren Analysegerät, welches der Patient stets mit sich führen muss, eingeführt und analysiert. Das komplexe sowie auch schmerzhafte Verfahren beschränkt den Anwendungsbereich im Regelfall auf Einzelmessungen und ist deshalb insbesondere für Patienten mit einer schweren Diabetes nur unzureichend. Um eine kontinuierliche Überwachung des Glucosegehaltes zu realisieren, muss das Analysesystem folglich eine beständige Analyse der Körperflüssigkeit des Patienten gewährleisten können.Conventional ways of monitoring the glucose content of blood are often implemented using portable devices, so-called blood glucose meters. A disadvantage of this analysis method, however, is that a wound must first be created for drawing blood into a part of the patient's body before the patient can then apply the blood to an analyte-specific test element. The test element is inserted and analyzed in a portable analysis device, which the patient must always carry with him. The complex and painful procedure generally limits the area of application to individual measurements and is therefore insufficient, especially for patients with severe diabetes. In order to continuously monitor the glucose content, the analysis system must be able to ensure a constant analysis of the patient's body fluid.
Im Stand der Technik stellt die Mikrodialysetechnik heutzutage ein verlässlichesIn the state of the art, microdialysis technology is reliable today
Verfahren dar, um Analyfkonzentrationen kontinuierlich zu überwachen. Der Patient kann bei geringer Größe des Analysesystems dieses unauffällig und ohne große Behinderung im Alltag mit sich tragen und es zur regelmäßigen Kontrolle anwenden. Hierzu wird eine kleine Mikrodialysesonde leicht und für den Patienten wenig traumatisch in den Körper eingeführt. Zur Analytbestimmung wird eineProcedures to continuously monitor analyte concentrations. With a small size of the analysis system, the patient can carry it inconspicuously and without major disabilities in everyday life and use it for regular checks. For this purpose, a small microdialysis probe is inserted into the body easily and not very traumatically for the patient. A
Perfusionsflüssigkeit durch einen Katheter geleitet, wobei sich die Perfusionsflüssigkeit in einem Austauschbereich in Kontakt mit einer Körperflüssigkeit befindet und Substanzen aus der Körperflüssigkeit aufnimmt. Diese angereicherte Perfusionsflüssigkeit, das Dialysat, wird dann zu einer Analyseeinheit weitergeleitet, die z. B. die Glucosekonzentration im Dialysat vermisst. Im Stand der Technik sind eine Reihe von Mikrodialysesonden bekannt, für die an dieser Stelle stellvertretend lediglich auf die, in der deutschen Patentanmeldung 10010587.4 beschriebene Anordnung, verwiesen wird.Perfusion fluid passed through a catheter, the perfusion fluid being in contact with a body fluid in an exchange area and absorbing substances from the body fluid. This enriched perfusion liquid, the dialysate, is then passed on to an analysis unit which, for. B. missed the glucose concentration in the dialysate. A number of microdialysis probes are known in the prior art, for which reference is made here only to the arrangement described in German patent application 10010587.4.
Bei der Mikrodialyse ergeben sich jedoch zahlreiche Erfordernisse im Bereich des Fluidhandlings, um die Funktionsfähigkeit des Mikrodialysesystems gewährleisten zu können. Unter anderem muss für eine exaktes Analysenergebnis die Flüssigkeit innerhalb der Mikrodialyse blasenfrei vorliegen, da nur so ein reproduzierbarer Flüssigkeitstransport erfolgt und eine exakte Analytbestimmung möglich ist.With microdialysis, however, there are numerous requirements in the field of fluid handling in order to be able to guarantee the functionality of the microdialysis system. Among other things, the liquid has to be used for an exact analysis result are present in the microdialysis without bubbles, as this is the only way to ensure reproducible liquid transport and exact analyte determination is possible.
Im Stand der Technik sind mehrere Möglichkeiten zur Gasabscheidung aus Flüssigkeiten offenbart, wobei sich diese Vorrichtungen jedoch nicht für eine Anwendung im mikrofluidischen Bereich eignen. Des weiteren können die meisten Systeme nicht lageunabhängig betrieben werden. Der Zweck von Mikrosystemen in der medizinischen Diagnostik ist es jedoch ein transportables Analysesystem bereitzustellen, das eine permanente Überwachung zulässt. Dies erfordert jedoch u. a. einen lageunabhängigen Betrieb des transportablen Systems.The prior art discloses several options for gas separation from liquids, but these devices are not suitable for use in the microfluidic field. Furthermore, most systems cannot be operated regardless of the location. However, the purpose of microsystems in medical diagnostics is to provide a portable analysis system that allows permanent monitoring. However, this may require. a. operation of the portable system regardless of location.
Das Patent EP 0 552 090 Bl offenbart ein Device zum Abtrennen von Gasen aus Flüssigkeiten, das aufgrund einer entsprechenden Flüssigkeitsführung lageunabhängig betrieben werden kann. Das Device ist jedoch nicht für einen Gebrauch im Bereich des Mikrofluidischen Durchflusssystem vorgesehen. In dem Device wird die Flüssigkeit durch Flüssigkeitskanäle geleitet, in denen eine Gasabscheidung erfolgt. Die Kanäle sind mit einer hydrophoben Membran verbunden, so dass das Gas durch die hydrophobe Membran in die Atmosphäre der Umgebung entweichen kann. Ein Nachteil der beschriebenen Vorrichtung ist der komplexe Aufbau des Systems, der sich u. a. bei den Herstellungskosten für eine derartige Vorrichtung widerspiegelt. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn derartige Vorrichtungen in einem vorgesehenenPatent EP 0 552 090 B1 discloses a device for separating gases from liquids, which can be operated regardless of the position due to a corresponding liquid guidance. However, the device is not intended for use in the area of the microfluidic flow system. In the device, the liquid is passed through liquid channels in which gas separation takes place. The channels are connected to a hydrophobic membrane so that the gas can escape through the hydrophobic membrane into the atmosphere of the environment. A disadvantage of the device described is the complex structure of the system, which u. a. reflects the manufacturing cost of such a device. This is particularly important if such devices are provided in a
Anwendungsgebiet als austauschbare Einmalartikel vorgesehen sind. Insbesondere im Bereich der Mikrodialyse zeigen jedoch Erfahrungen, dass flüssigkeitsberührende Teile wie z.B. Gasabscheider häufig in Form eines disposiblen Mikrodevices verwendet werden. Eine Anwendung des beschriebenen System für eine Mikrodialysevorrichtung würde sich in dem geschilderten Beispiel folglich als zu aufwendig und teuer erweisen.Field of application are provided as interchangeable disposable items. In the area of microdialysis in particular, experience has shown that parts in contact with liquid such as Gas separators are often used in the form of a disposable microdevice. An application of the described system for a microdialysis device would therefore prove to be too complex and expensive in the example described.
Des weiteren wird in dem Dokument EP 0 787 503 ein System zur lageunabhängigen Gasabscheidung offenbart, bei dem durch eine hydrophobe Membran Gas aus einer Flüssigkeit entweichen kann. Das System weist zwar zunächst einen einfachen Aufbau auf, der jedoch die Funktionalität der Vorrichtung nachteilig beeinflusst. Aufgrund des einfachen Aufbaus der Vorrichtung kommt es u. a. im Bereich des Membransystems zu keiner hinreichende Reduktion der Fließgeschwindigkeit, so dass keine vollständige Gasabscheidung aus der Flüssigkeit gewährleistet werden kann. Eine derartige Vorrichtung erweist sich folglich, insbesondere für Systeme bei denen ein exakt re- produzierbarer Flüssigkeitstransport gegeben sein muss, als unzureichend. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zur Gas- oder Flüssigkeitsabscheidung in einem mikrofluidischen System zur Verfügung zu stellen. Das System soll dabei trotz eines einfachen Aufbaus eine im wesentlichen hinreichende Gas- bzw. Flüssigkeitsabscheidung aus einem Fluid gewährleisten und vorzugsweise lageunabhängig betrieben werden können.Furthermore, document EP 0 787 503 discloses a system for position-independent gas separation, in which gas can escape from a liquid through a hydrophobic membrane. The system initially has a simple structure, but it adversely affects the functionality of the device. Due to the simple structure of the device, there is no sufficient reduction in the flow rate in the area of the membrane system, so that complete gas separation from the liquid cannot be guaranteed. Such a device consequently proves to be inadequate, in particular for systems in which an exactly reproducible liquid transport must be provided. The invention has for its object to provide a device for gas or liquid separation in a microfluidic system. In spite of a simple construction, the system should ensure an essentially sufficient gas or liquid separation from a fluid and should preferably be able to be operated independently of the position.
Die Erfindung wird durch die unabhängigen Ansprüche beschrieben. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich gemäß der abhängigen Ansprüche.The invention is described by the independent claims. Advantageous embodiments result from the dependent claims.
Die Erfindung beinhaltet eine Vorrichtung zur Gasabscheidung in einem mikrofluidischen System. Die Vorrichtung weist eine fluidische Zuleitung auf, die mindestens in einem Bereich eine hydrophobe Membran beinhaltet durch die Gas innerhalb der Zuleitung entweichen kann. Des weiteren beinhaltet die Vorrichtung eine Ableitung mit einer hydrophilen Membran. Zu- und Ableitung der Vorrichtung sind dabei so miteinander fluidisch verbunden, dass eine Flüssigkeit, die durch die Zuleitung in die Ableitung fließt, die hydrophile Membran passieren muss. Die hydrophile Membran ist dabei im wesentlichen nur für Flüssigkeiten permeabel, so dass Gas in der Zuleitung zurück gehalten wird, während die Flüssigkeit durch die Ableitung abfließen kann.The invention includes a device for gas separation in a microfluidic system. The device has a fluidic feed line which contains at least in one area a hydrophobic membrane through which gas can escape within the feed line. Furthermore, the device includes a drain with a hydrophilic membrane. The supply and discharge lines of the device are fluidly connected to one another in such a way that a liquid that flows through the supply line into the discharge line must pass through the hydrophilic membrane. The hydrophilic membrane is essentially only permeable to liquids, so that gas is retained in the feed line while the liquid can flow off through the discharge line.
Des weiteren ist Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung zur Flüssigkeitsabscheidung aus einem mikrofluidischen System. Die Vorrichtung weist analog zu dem System zur Gasabscheidung eine fluidische Zu- und Ableitung auf, die ebenfalls jeweils mit einer Membran versehen sind. Hierbei beinhaltet die fluidische Zuleitung jedoch komplementär zu der Vorrichtung zur Gasabscheidung eine hydrophile Membran. Entsprechend weist die Ableitung eine hydrophobe Membran auf. Zu- und Ableitung sind dann so miteinander fluidisch verbunden, dass ein Gas, das in dem System transportiert wird und von der Zuleitung hin zur Ableitung fließt, die hydrophobe Membran passieren muss.The invention furthermore relates to a device for liquid separation from a microfluidic system. Analogous to the system for gas separation, the device has a fluid supply and discharge line, which are also each provided with a membrane. Here, however, the fluidic feed line contains a hydrophilic membrane complementary to the device for gas separation. Accordingly, the derivation has a hydrophobic membrane. The supply and discharge lines are then fluidly connected to one another in such a way that a gas which is transported in the system and flows from the supply line to the discharge line must pass through the hydrophobic membrane.
Die erfindungsgemäßen Systeme zur Flüssigkeits- bzw. Gasabscheidung ist durch die Kombination einer hydrophilen Membran mit einer hydrophoben Membran gekennzeichnet. Auf diese Weise wird eine Separierung von verschiedenen Phasen eines Fluids durch einen einfachen Aufbau sicher gewährleistet. Hierbei bedingt die Membran der Ableitung den eigentlichen Phasenseparationsschritt, da ausschließlich eine Phase des Fluids, für die die Membran permeabel ist, durch die Membran und folglich durch die Ableitung abfließen kann. Die zu separierende Phase wird somit zunächst innerhalb der Zuleitung zurückgehalten, wo sie dann durch die Membran der Zuleitung entweichen kann. Die Membran der Zuleitung verhindert auf diese Weise eine zu starke Anreicherung der zu separierenden Phase innerhalb der Zuleitung, die die Funktionalität der Vorrichtung beeinträchtigen könnte. Ein zuverlässiger Betriebszustand der Vorrichtung wird somit auch langfristig gewährleistet.The systems for liquid or gas separation according to the invention are characterized by the combination of a hydrophilic membrane with a hydrophobic membrane. In this way, a separation of different phases of a fluid is guaranteed by a simple structure. Here, the membrane of the derivation determines the actual phase separation step, since only one phase of the fluid, for which the membrane is permeable, can flow through the membrane and consequently through the derivation. The phase to be separated is thus initially retained within the feed line, where it can then escape through the feed line membrane. In this way, the membrane of the feed line prevents the phase to be separated from accumulating too much within the feed line, which could impair the functionality of the device. A reliable operating state of the device is thus also guaranteed in the long term.
Eine Kombination der hydrophilen bzw. hydrophoben Membranen und folglich der Aufbau der Vorrichtung kann erfindungsgemäß auf vielfältige Weise erfolgen, so dass die Erfindung auf keine spezifische Ausgestaltung beschränkt ist. Beispielsweise kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung in eine Schlauchleitung integriert werden, wobei ein erster Bereich der Schlauchleitung, der als Zuleitung der Vorrichtung angesehen werden kann, dann eine entsprechende Membran aufweist. Innerhalb des Schlauches wird weiterhin eine Membran in der Weise integriert, dass die Membran in Form einer semipermeablen Trennschicht den ersten und einen zweiten Bereich des Schlauches voneinander trennt. Der erste und der zweite Bereich stellen dann die Zu- bzw. Ableitung des Systems dar. Erfindungsgemäß muss dabei die Membran derartig im Schlauch integriert werden, dass eine fluidische Abdichtung zwischen Membran undA combination of the hydrophilic or hydrophobic membranes and consequently the construction of the device can be carried out according to the invention in a variety of ways, so that the invention is not restricted to any specific embodiment. For example, a device according to the invention can be integrated into a hose line, a first area of the hose line, which can be regarded as the feed line of the device, then having a corresponding membrane. Furthermore, a membrane is integrated within the hose in such a way that the membrane separates the first and a second region of the hose from one another in the form of a semi-permeable separating layer. The first and the second area then represent the supply and discharge of the system. According to the invention, the membrane must be integrated in the hose in such a way that a fluidic seal between the membrane and
Schlauch erfolgt, so dass ausschließlich Fluid, für das die Membran permeabel ist, in den Bereich des Schlauches (Ableitung) jenseits der Membran abfließen kann. Es ist natürlich auch denkbar, Zu- und Ableitung als voneinander unabhängige Bauelemente zunächst zu realisierten, bevor anschließend die Elemente während eines Herstellungsverfahrens fluidisch miteinander verbunden werden. Im beschriebenen Beispiel wird dann z. B. zunächst ein erstes Schlauchende, welches als Ableitung vorgesehen ist, mit einer Membran verschlossen und anschließend mit einem weiteren Schlauchende, der Zuleitung, verbunden. Hierbei werden die Enden der Zu- bzw. Ableitung z. B. miteinander verklebt.Hose is made so that only fluid for which the membrane is permeable can flow into the area of the hose (discharge line) beyond the membrane. It is of course also conceivable to first implement supply and discharge as mutually independent components before the elements are then fluidly connected to one another during a production process. In the example described, z. B. first a first hose end, which is provided as a derivative, closed with a membrane and then connected to a further hose end, the feed line. Here, the ends of the feed or discharge z. B. glued together.
Als Membran im Rahmen der Erfindung können jegliche Materialien verwendet werden, die eine auf das Anwendungsgebiet angepasste entsprechende Permeabilität für ausschließlich eine Phase eines Fluids aufweisen. Des weiteren muss das Material auf das jeweilige Anwendungsgebiet so abgestimmt werden, dass sich Fluid und Vorrichtung zueinander inert verhalten. Alterungseffekte oder Quellungseffekte der Membranen können somit weitestgehend minimiert werden. Beispielhaft erweisen sich für eine hydrophobe Membran die Materialien PP (Polypropylen) oder PTFE (Poly- Tetrafluorethylen) als geeignet sowie PA (Polyamid) oder PVDF (Polyvinylidenfluorid) oder PVP (Polyvinylpyrrolydon) als hydrophiles Material eingesetzt werden können. Als hydrophil werden Memrane bezeichnet, die beim Kontakt mit Wasser dieses spontan in ihre Poren aufsaugen. Dies kann durch die Eigenschaften des Grundmaterials, eines Legierungsbestandteils (sogenannten Polymerlegierungen) oder durch eine Beschichtung der Porenoberflächen mit einer hydrophilen Schicht z.B. einem Tensid einem unvernetzten oder einem vernetzten hydrophilen Polymer (z.B. Hydroxypropylencellulose oder PVP) erfolgen. Als hydrophob bezeichnet man Membranen, die durch Wasser nicht spontan benetzt werden. Solche Membranen erhält man entweder aus hydrophoben Grundmaterialien, wie z.B. PP (Poly-propylen) oder PTFE (Poly-Tetrafluorethylen) oder durch Beschichtung der Porenoberflächen mit einer hydrophoben Schicht z.B. einer Perfluorverbindung oder einem Silan. Die Porengrößen der Membranen können ebenfalls an das jeweilige Anwendungsgebiet angepasst werden, so dass zum einen eine hinreichende Abtrennung einer Fluidphase gewährleistet wird, und es zum anderen zu keinen Verstopfungen der Poren kommt. Die Abtrennung von feinsten Gasblasen oder Flüssikgkeitstropfen fällt dabei in den Bereich der Mikrofiltration. Die Porengrößen bei der Mikrofiltration umfaßen einen Bereich, der nach unten hin mit der Ultrafiltration und nach oben hin mit der Feinfiltration überlappt. Üblicherweise liegen die Porengrößen für die Mikrofiltration zwischen 0,1 μm und 10 μm. Die Wahl der Porenfeinheit im Rahmen der Erfindung richtet sich sowohl nach der Verfügbarkeit und Kompatibilität der Materialien, als auch nach den angestrebten Betriebsbedingungen. Je Meiner die Poren gewählt werden, desto feinere Gasblasen bzw. Flüssigkeitströpfchen können abgeschieden werden, wobei gleichzeitig jedoch in der Regel die Permeabilität der Membran sinkt. Insbesondere für Membranen, die Flüssigkeit permeiren lassen, kann dies ein limitierender Faktor sein. Durch größere Membranflächen kann dieser Effekt jedoch ausgeglichen werden. Typische Porengröße, die sich im Bereich der Mikrodialyse als geeignet erweisen, liegen z. B. im Bereich von 0,1 μm bis 0,5 μm.Any material can be used as the membrane in the context of the invention which has a corresponding permeability for only one phase of a fluid which is adapted to the field of application. Furthermore, the material must be matched to the respective field of application so that the fluid and the device are inert to one another. Aging effects or swelling effects of the membranes can thus be minimized as far as possible. Exemplary for one hydrophobic membrane the materials PP (polypropylene) or PTFE (poly-tetrafluoroethylene) as suitable and PA (polyamide) or PVDF (polyvinylidene fluoride) or PVP (polyvinyl pyrrolydone) can be used as the hydrophilic material. Membranes are called hydrophilic, which spontaneously absorb water into their pores when they come into contact with water. This can take place through the properties of the base material, an alloy component (so-called polymer alloys) or by coating the pore surfaces with a hydrophilic layer, for example a surfactant, an uncrosslinked or a crosslinked hydrophilic polymer (for example hydroxypropylene cellulose or PVP). Membranes that are not spontaneously wetted by water are called hydrophobic. Such membranes are obtained either from hydrophobic base materials, such as PP (polypropylene) or PTFE (poly tetrafluoroethylene), or by coating the pore surfaces with a hydrophobic layer, for example a perfluoro compound or a silane. The pore sizes of the membranes can also be adapted to the respective field of application, so that, on the one hand, sufficient separation of a fluid phase is ensured and, on the other hand, the pores are not blocked. The separation of the finest gas bubbles or liquid drops falls into the area of microfiltration. The pore sizes in microfiltration encompass an area that overlaps downward with ultrafiltration and upward overlaps with fine filtration. The pore sizes for microfiltration are usually between 0.1 μm and 10 μm. The selection of the pore fineness in the context of the invention depends both on the availability and compatibility of the materials and on the desired operating conditions. The more the pores are chosen, the finer the gas bubbles or liquid droplets can be separated, but at the same time the permeability of the membrane generally decreases. This can be a limiting factor, particularly for membranes that allow liquid to permeate. This effect can be compensated for by larger membrane areas. Typical pore sizes, which prove to be suitable in the area of microdialysis, are e.g. B. in the range of 0.1 microns to 0.5 microns.
Die erfindungsgemäße Einrichtung kann darüber hinaus genutzt werden, um zusätzlich eine Sterilfiltration des Fluids , wie nachfolgend noch näher erläutert wird, durchzuführen. Hierfür erweisen sich Membranen mit einer Porengröße von 0,45 bzw. 0,22 μm als vorteilhaft. In einer vorteilhaften Ausführungsform werden als Membranen Mikrofiltrationshohlfasermembran verwendet, wobei die hydrophobe und/oder hydrophile Membran in Form einer Hohlfasermembran ausgestaltet sein kann. Wird sowohl die hydrophile als auch die hydrophobe Membran in Form einer Hohlfaser verwendet, werden die Membranen ineinander angeordnet, so dass z. B. in einerThe device according to the invention can also be used to additionally carry out sterile filtration of the fluid, as will be explained in more detail below. Membranes with a pore size of 0.45 or 0.22 μm have proven to be advantageous for this. In an advantageous embodiment, microfiltration hollow fiber membranes are used as membranes, wherein the hydrophobic and / or hydrophilic membrane can be designed in the form of a hollow fiber membrane. If both the hydrophilic and the hydrophobic membrane are used in the form of a hollow fiber, the membranes are arranged one inside the other so that, for. B. in one
Vorrichtung zur Gasabscheidung die hydrophile Mikrofiltrationsmembran zumindest zum Teil innerhalb eines Bereiches der hydrophoben Mikrofiltrationsmembran eingeschoben wird, wobei das jeweilige Ende der Membranen mit der Zu- bzw. Ableitung durch Verkleben fluidisch abgedichtet wird. Im beschriebenen Beispiel besitzt die hydrophile Mikrofiltrationshohlfasermembran somit einen Außendurchmesser, der kleiner ist als der Innendurchmesser der hydrophoben Mikrofiltrationsmembran.Device for gas separation, the hydrophilic microfiltration membrane is at least partially inserted within a region of the hydrophobic microfiltration membrane, the respective end of the membranes being fluidically sealed with the supply and discharge lines by adhesive bonding. In the example described, the hydrophilic microfiltration hollow fiber membrane thus has an outside diameter which is smaller than the inside diameter of the hydrophobic microfiltration membrane.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist einfach aufgebaut und kann problemlos auch im Mikromaßstab durch im Handel erhältliche Bauelemente produziert werden. Beispielsweise wird hierfür eine handelsübliche PTFE-Hohlfasermembran (Poly-Tetra- Fluor-Ethylen) verwendet. Der Außendurchmesser einer derartigen Hohlmembran beträgt dann z. B. 1,7 mm, wobei sich ein Innendurchmesser von ca. 1 mm ergibt. Eine entsprechende mikroporöse hydrophile PVDF-Hohlfasermembran (Polyvinylidenfluoride) besitzt dann einen entsprechend zur hydrophoben Membran verkleinerten Außen durchmesser von ca. 0,45 mm und einen um ca. 0,1 mm reduzierten Innendruchmesser. Derartige Membranen, werden wie beschrieben z. B. von den Firmen Gore in München oder der Firma Memtec Corp. Australien geliefert. Als Zu- und oder Ableitung der Vorrichtung werden beispielsweise Silikonschläuche verwendet, in denen die Membrane wie beschrieben integriert sind. Natürlich kann auch die Zu- und/oder Ableitung der Vorrichtung vollständig durch die Hohlfasermembran gebildet werden, so dass keine zusätzlichen Elemente für die Zu- und Ableitung vorgesehen sind. Wird eine derartige Vorrichtung beispielsweise in ein Mikrodialysesystem integriert, wird die Zu- und Ableitung der Vorrichtung in Form von Hohlfasermembranen jeweils direkt fluidisch mit den Schläuchen des Mikrodialysesystems beispielsweise über einen Zweikomponentenkleber verbunden. In einer Vorrichtung, wie beschrieben, wird dann nach dem Aushärten des Klebstoffes die hydrophile Membran in das Ende der hydrophoben Membran eingeschoben. Das Ende der hydrophoben Membran wird anschließend mit dem Ende der hydrophilen Membran ebenfalls verklebt. Im angeführten Beispiel wird die Klebemasse dabei sowohl als mechanisches Verbin- dungselement als auch als fluidische Dichtung verwendet. Vorteilhafterweise wird jedoch die Vorrichtung reversibel mit dem Mikrodialysesystem verbunden, so dass die Vorrichtung bei Bedarf als disposible Einheit ausgetauscht werden kann.The device according to the invention is of simple construction and can also be easily produced on a microscale using commercially available components. For example, a commercially available PTFE hollow fiber membrane (poly-tetra-fluoro-ethylene) is used for this. The outer diameter of such a hollow membrane is then z. B. 1.7 mm, resulting in an inner diameter of about 1 mm. A corresponding microporous, hydrophilic, PVDF hollow fiber membrane (polyvinylidene fluoride) then has an outer diameter of approximately 0.45 mm, which is correspondingly smaller than that of the hydrophobic membrane, and an inner diameter which is reduced by approximately 0.1 mm. Such membranes, as described for. B. from Gore in Munich or Memtec Corp. Australia delivered. For example, silicone hoses, in which the membrane is integrated as described, are used as the inlet and outlet of the device. Of course, the supply and / or discharge of the device can also be formed entirely by the hollow fiber membrane, so that no additional elements are provided for the supply and discharge. If such a device is integrated, for example, in a microdialysis system, the supply and discharge of the device in the form of hollow fiber membranes are each directly fluidly connected to the tubes of the microdialysis system, for example using a two-component adhesive. In a device as described, the hydrophilic membrane is then inserted into the end of the hydrophobic membrane after the adhesive has hardened. The end of the hydrophobic membrane is then also glued to the end of the hydrophilic membrane. In the example given, the adhesive is used both as a mechanical connecting element and as a fluidic seal. Advantageously however, the device is reversibly connected to the microdialysis system, so that the device can be replaced as a disposable unit if necessary.
Wird die Vorrichtung im Bereich der Mikrodialyse verwendet, sollte weiterhin bei der Auswahl der Materialien, die zur Herstellung der Systeme verwendet werden, darauf geachtet werden, dass das Material mit dem Dialysat bzw. Mikroperfusat kompatibel ist und es zu keinen Veränderungen kommt, die die Konzentration des zu bestimmenden Analyten oder die Analyse als solche unvorhersehbar beeinflussen.If the device is used in the field of microdialysis, care should also be taken when selecting the materials that are used to manufacture the systems that the material is compatible with the dialysate or microperfusate and that there are no changes in the concentration of the analyte to be determined or influence the analysis as such unpredictably.
Versuche mit Vorrichtungen, wie oben beschrieben, haben gezeigt, dass bei einem Fluid aus einem Luftwassergemisch im Volumenverhältnis von 1:1 und einer Fließgeschwindigkeit von 0,3 bis 3 μl/m, eine im wesentlichen vollständige Separation von Luftblasen und Wasser erreicht werden konnte.Experiments with devices as described above have shown that with a fluid from an air-water mixture in a volume ratio of 1: 1 and a flow rate of 0.3 to 3 μl / m, essentially complete separation of air bubbles and water could be achieved.
Soll die Anwendung der Vorrichtung auch für wesentlich höhereShould the application of the device also for much higher
Fließgeschwindigkeiten geeignet sein, so kann in einer vorteilhaften Ausführungsform die Fließgeschwindigkeit im Bereich der Membranen zunächst verlangsamt werden. Wird die Länge und/oder der Durchmesser der verwendeten Membranen soweit vergrößert, dass es zur Reduktion der Fließgeschwindigkeit kommt, und somit eine ausreichend lange Verweilzeit des Fluids im Austauschbereich gewährleistet ist, wird hierdurch die Phasenseparation unterstützt.Flow velocities are suitable, in an advantageous embodiment, the flow velocity in the area of the membranes can first be slowed down. If the length and / or the diameter of the membranes used is increased to such an extent that there is a reduction in the flow rate, and thus a sufficiently long residence time of the fluid in the exchange area is ensured, the phase separation is thereby supported.
In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet ein mikrofluidisches Durchflusssystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung weiterhin eine Pumpe, mittels der die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit gesteuert wird. Auf diese Weise ist neben einem Einfluss auf die Phasenseparation auch eine exakte Bestimmung der durchströmenden Flüssigkeitsmenge möglich, wobei sich eine Bestimmung des Fluidstroms z. B. insbesondere bei der Messung von Analysekonzentrationen als notwendig erweist. Wird eine Vorrichtung, wie beschrieben, zur Gasabscheidung in dem Bereich der Mikrodialyse eingesetzt und wird die Vorrichtung in Flussrichtung vor der Pumpe installiert, ist sicher gestellt, dass keine Gasblasen gefördert werden, die ein gemessenes Flüssigkeitsvolumen verfälschen würden. Basierend auf einer exakten Volumenbestimmung des transportierten Dialysats kann nun eine genaue Glucosekonzentration berechnet werden. Das System kann darüber hinaus vorzugsweise lageunabhängig betrieben werden, sodass die Vorrichtung auch für den alltäglichen Gebrauch im Bereich einer kontinuierlichen Diagnostik geeignet ist. Um einen lageunabhängigen Betrieb der Vorrichtung gewährleisten zu können, weist die Zuleitung im wesentlichen in allen Raumrichtungen ein entsprechendes Membransystem auf. Die zu separierende Phase kann dann unabhängig von der Lage der Vorrichtung und der Dichte der zu separierende Phase aus der Zuleitung durch die Membran bzw. das Membransystem entweichen.In a preferred embodiment, a microfluidic flow system with a device according to the invention further includes a pump, by means of which the flow rate of the liquid is controlled. In this way, in addition to an influence on the phase separation, an exact determination of the amount of liquid flowing through is also possible. B. proves necessary especially when measuring analysis concentrations. If a device as described is used for gas separation in the area of the microdialysis and the device is installed in the flow direction upstream of the pump, it is ensured that no gas bubbles are conveyed which would falsify a measured volume of liquid. Based on an exact volume determination of the transported dialysate, an exact glucose concentration can now be calculated. In addition, the system can preferably be operated independently of the position, so that the device is also suitable for everyday use in the field of continuous diagnostics. In order to ensure that the device can be operated in any position, the feed line has a corresponding membrane system essentially in all spatial directions. The phase to be separated can then escape from the feed line through the membrane or the membrane system regardless of the position of the device and the density of the phase to be separated.
Versuche, mit den beschriebenen Systemen zeigen folglich, dass das erfindungsgemäße System trotz des einfachen Aufbaus eine im wesentlichen vollständige Separation zweier Phasen eines Fluids erlaubt und den Betriebsbedingungen z. B. in einem Mikrodialysesystem im vollem Umfang genügt.Experiments with the systems described consequently show that the system according to the invention, despite the simple structure, allows an essentially complete separation of two phases of a fluid and the operating conditions e.g. B. in a microdialysis system is sufficient.
Zur Anwendung im Bereich der Mikrodialyse ist das System weiterhin mit einer Mikrodialysesonde sowie einem Flüssigkeitsreservoir, wie nachfolgend näher beschrieben, verbunden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung stromaufwärts bezüglich der Mikrodialysesonde im Mikrodialysesystem positioniert. Hierbei dient das System der Mikroanalyse - wie bereits beschrieben - zur Bestimmung mindestens einer Konzentration eines Analyten in einer Körperflüssigkeit. Die Bezeichnung Analyt umfasst im Rahmen der vorliegenden Erfindung sämtliche möglichen Analyten, wie z. B. Glucose, Lactat, Proteine, Mineralien und Neurotransmitter. Der Begriff "Körperflüssigkeit" kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung sämtliche möglichen Körperflüssigkeiten wie insbesondere interstitielle Flüssigkeit, Blut und Hirnflüssigkeit umfassen. Das System ist in erster Linie zur kontinuierlichen Diagnostik beim Menschen konzipiert, es sollen jedoch auch andere mögliche Anwendungen, z. B. am Tier, mit umfasst sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird dabei der Begriff Mikrodialysesystem für eine Ausführungsformen verwendet, bei denen über eine Membran ein Stoffaustausch zwischen dem Außenraum und einer Perfusionsflüssigkeit stattfindet. Milαodialysesysteme, die im Stand der Technik bekannt sind, werden beispielsweise in den Dokumenten EP 0 649 628 und US 5,174,291 beschrieben. Die Vorrichtung eignet sich jedoch z. B. auch für Verfahren, die im allgemeinen als Ultrafiltration bezeichnet werden. Hierbei wird zunächst durch eine Membran im Ultrafiltrationssystem eine Filtration der das System umgebenden Körperflüssigkeit erzielt. Die Membran der Ultrafiltration dient vor allem dazu, höher-molekulare Stoffe, die die Analyse stören, bzw. eine Alterung des Sensors hervorrufen, auszuschließen. Die Dokumente US 4,777,953 und US 4,832,034 beschreiben beispielhaft das Verfahren der Ultrafiltration. Der Austauschbereich, in dem die Membran des Ultrafiltrationssystem vorliegt, weist vorzugsweise eine längliche Gestalt auf, so dass er die Form eines Stabes besitzt. Das Ende des Stabes kann beispielsweise spitz ausgeführt sein, so dass eine Einführung in den menschlichen Körper erleichtert wird. Im Stand der Technik existieren eine Vielzahl verschiedener Typen von Applikationsbestecken, auf die an dieser Stelle nicht näher eingegangen wird. Es sei lediglich stellvertretend auf die Dokumente WO 97/14468 (TFX Medical Inc.) und WO 95/20991 (CMA Microdialysis Holding AB) hingewiesen.For use in the field of microdialysis, the system is also connected to a microdialysis probe and a liquid reservoir, as described in more detail below. In a preferred embodiment, the device according to the invention is positioned upstream of the microdialysis probe in the microdialysis system. As already described, the system of microanalysis serves to determine at least one concentration of an analyte in a body fluid. The term analyte in the context of the present invention includes all possible analytes, such as. B. glucose, lactate, proteins, minerals and neurotransmitters. In the context of the present invention, the term “body fluid” can encompass all possible body fluids such as in particular interstitial fluid, blood and brain fluid. The system is primarily designed for continuous diagnostics in humans, but other possible applications, e.g. B. on the animal to be included. In the context of the present invention, the term microdialysis system is used for an embodiment in which there is a membrane exchange between the exterior and a perfusion fluid. Milαodialysis systems which are known in the prior art are described, for example, in documents EP 0 649 628 and US Pat. No. 5,174,291. However, the device is suitable for. B. also for processes that are generally referred to as ultrafiltration. Filtration of the body fluid surrounding the system is first achieved through a membrane in the ultrafiltration system. The purpose of the ultrafiltration membrane is primarily to exclude higher molecular substances that interfere with the analysis or cause aging of the sensor. The documents US 4,777,953 and US 4,832,034 describe the process of ultrafiltration by way of example. The exchange area in which the membrane of the ultrafiltration system is present preferably has an elongated shape so that it has the shape of a rod. The end of the rod can be pointed, for example, so that an introduction into the human body is facilitated. A large number of different types of application sets exist in the prior art, which are not dealt with in more detail at this point. It is merely representative of the documents WO 97/14468 (TFX Medical Inc.) and WO 95/20991 (CMA Microdialysis Holding AB).
Im Messbereich der Analyseeinheit ist mindestens ein Sensor zur Detektion eines Analyten angeordnet. Zur Detektion von Glucose kann z. B. eine Metallelektrode verwendet werden, die an ihrer Oberfläche mit Glucoseoxidase oder einem glucoseoxidasehaltigen Reagenzgemisch beschichtet ist. Es kann aber beispielsweise auch gelöste Glucoseoxidase in die Messzelle hinzugegeben werden. Dieses Messverfahren ist z. B. im Dokument EP B 0 393 054 beschrieben. Als ein wesentlicher Aspekt für eine exakte Detektion der Analytkonzentration wird hierbei ein blasenfreier Transport der Flüssigkeit beschrieben, so dass kein Gas an den Elektroden vorliegt, was zu Undefinierten Zuständen führen würde.At least one sensor for detecting an analyte is arranged in the measuring area of the analysis unit. For the detection of glucose z. B. a metal electrode can be used, which is coated on its surface with glucose oxidase or a reagent mixture containing glucose oxidase. However, for example, dissolved glucose oxidase can also be added to the measuring cell. This measurement method is e.g. B. described in document EP B 0 393 054. Bubble-free transport of the liquid is described as an essential aspect for an exact detection of the analyte concentration, so that there is no gas at the electrodes, which would lead to undefined states.
Weiterhin ist es für eine Durchführung einer Mikrodialyse vorteilhaft, ein Reservoir für Perfusionsflüssigkeit und / oder ein Reservoir zur Aufnahme von Dialysat nach der Analyse vorzusehen, das direkt oder über einen Kanal mit dem Austauschbereich verbunden ist. Zum Transport von Perfusionsflüssigkeit durch den Austauschbereich und hin zum Sensorbereich ist eine Pumpe vorgesehen. Eine solche Pumpe kann beispielsweise im Druckbetrieb arbeiten und somit Flüssigkeit aus dem Reservoir für Perfusionsflüssigkeit herausdrücken oder aber sie kann auch im Saugbetrieb arbeiten und Flüssigkeit durch das System hindurchziehen. Weiterhin kann eine Pumpe beispielsweise so angeordnet sein, dass sie Flüssigkeit aus dem Fluidreservoir herauszieht und dem Austauschbereich zuführt. Letztere Variante kann analog einer konventionellen Schlauchpumpe ausgeführt sein, bei der durch ein von außen angreifendes Rollenelement Flüssigkeit durch Zusammenquetschen eines zusammendrückbaren Bereiches des Fluidkanals verschoben wird. EntsprechendeFurthermore, when performing a microdialysis, it is advantageous to provide a reservoir for perfusion liquid and / or a reservoir for holding dialysate after the analysis, which reservoir is connected to the exchange area directly or via a channel. A pump is provided to transport perfusion fluid through the exchange area and to the sensor area. Such a pump can, for example, operate in pressure mode and thus push liquid out of the reservoir for perfusion liquid, or it can also operate in suction mode and draw liquid through the system. Furthermore, a pump can, for example, be arranged such that it draws liquid out of the fluid reservoir and supplies it to the exchange area. The latter variant can be designed analogously to a conventional peristaltic pump, in which liquid is displaced by a roller element acting from the outside by squeezing together a compressible region of the fluid channel. Appropriate
Systeme, sind beispielsweise im Bereich der "implanted delivery devices" gebräuchlich. Exemplarisch sei an dieser Stelle auf das Dokument WO99/41606 aus dem Bereich der Mikrodialyse, verwiesen. Hierbei zeigt sich im Stand der Technik, dass in der Mikrodialyse beispielsweise Kanäle mit einem Durchmesser im Bereich von 10-1000 μm eingesetzt werden, wobei sich eine Kanallänge im Bereich einiger Zentimeter ergibt. Für eine linearer Flussraten von etwa 1 cm/min erweisen sich somit Drücke im Bereich weniger Millibar als hinreichend. Weiterhin weisen solche Systeme eine mit dem Sensor verbundene Auswerteeinheit auf, die zur Umwandlung von Sensorsignalen in Konzentrationswerte des Analyten dienen.Systems, for example, are used in the area of "implanted delivery devices". As an example, reference is made to document WO99 / 41606 from the field of microdialysis. The prior art shows that, for example, channels with a diameter in the range of 10-1000 μm are used in microdialysis, resulting in a channel length in the range of a few centimeters. For a linear flow rate of approximately 1 cm / min, pressures in the range of a few millibars have proven to be sufficient. Furthermore, such systems have an evaluation unit connected to the sensor, which are used to convert sensor signals into concentration values of the analyte.
Für die Vorrichtung zur Abscheidung von Flüssigkeit aus einem Gas sind ebenfalls vielfältige Anwendungsgebiete denkbar, wie z. B. in dem Bereich der Medizintechnik. Beispielsweise erfolgt eine Anwendung im Gebiet der künstlichen Beatmung, wo die Vorrichtung zur Entfernung von Flüssigkeitstropfen aus einem befeuchteten Gasstrom, eingesetzt werden kann. Weitere Anwendungsgebiete sind z. B. Analysesysteme, die zur Analyse der Atemluft verwendet werden.For the device for separating liquid from a gas, a variety of applications are also conceivable, such as. B. in the field of medical technology. For example, there is an application in the field of artificial ventilation, where the device for removing liquid drops from a humidified gas stream can be used. Further areas of application are e.g. B. Analysis systems used to analyze the air we breathe.
Besonders in dem Anwendungsgebiet der Analytik zeigt sich, dass es häufig zu Messwertfehlern kommt, die durch Flüssigkeitstropfen im Gasanalysegerät verursacht werden. Diese entstehen z.B. in dem das von Menschen ausgeatmete Gas imEspecially in the field of application of analysis it can be seen that measurement errors often occur which are caused by liquid drops in the gas analyzer. These arise e.g. in which the gas exhaled by humans in
Analysesystem eine Abkühlung von der Körpertemperatur erfährt. Bei Kontakt mit dem Analysesystem findet eine Auskondensation des in der Atemluft enthaltenen Wassers statt. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht beispielsweise das Abscheiden von Wasser in flüssiger Form aus der Atemluft, bevor diese in ein CO -Analysegerät geleitet wird. Wird die Vorrichtung - wie beschrieben - zur Flüssigkeitsabscheidung eingesetzt, erweist es sich als vorteilhaft, die flüssigkeitspermeable Membran vor dem Gebrauch der Vorrichtung zunächst mit Flüssigkeit benetzt wird, so dass zu Beginn der Messung kein Gas durch die trockene Membran entweichen kann. Eine exakte Analyse eines Gasstroms wird somit während des gesamten Messablaufes gewährleistet.Analysis system experiences a cooling from body temperature. Upon contact with the analysis system, the water contained in the breathing air is condensed out. A device according to the invention makes it possible, for example, to separate water in liquid form from the breathing air before it is passed into a CO analysis device. If the device - as described - is used for liquid separation, it proves to be advantageous to wet the liquid-permeable membrane first with liquid before using the device, so that no gas can escape through the dry membrane at the start of the measurement. An exact analysis of a gas flow is thus guaranteed during the entire measurement process.
Darüber hinaus ergeben sich weitere Anwendungsgebiete in der Analytik sowie bei der Synthese hochreiner Substanzen, bei denen jeweils im Mikromaßstab gearbeitet wird, sodass die erfmdungsgemäßen Vorrichtungen generell auf kein spezielles Anwendungsgebiet beschränkt sind.In addition, there are further areas of application in analysis and in the synthesis of high-purity substances, each of which is carried out on a microscale, so that the devices according to the invention are generally not restricted to any specific area of application.
Prinzipiell sind auch zu den beschriebenen Anwendungsgebieten komplementäre Verwendungsmöglichkeiten denkbar, so dass z. B. eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch zum Begasen einer Flüssigkeit verwendet werden kann. Versuche haben gezeigt, dass bei einer zuvor entgasten Lösung, die mit einer Flussrate von 1,2 μl/min durch die erfindungsgemäße Vorrichtung fließt, eine vergleichbare Begasung der Flüssigkeit erlangt werden kann, wie sie auf konventionellem Wege durch die Begasung mit einem Siliconschlauch gleichem Durchmessers, erzielt wird.In principle, complementary uses are also conceivable for the application areas described, so that, for. B. a device according to the invention can also be used for gassing a liquid. Experiments have shown that in the case of a previously degassed solution which flows through the device according to the invention at a flow rate of 1.2 μl / min, comparable gassing of the liquid can be achieved, as is achieved in a conventional way by gassing with a silicone hose of the same diameter.
Das erfindungsgemäße System kann vorzugsweise bei Normaldruck betrieben werden, wobei die üblichen Schwankungen des Umgebungsdruckes die Abscheidung der zu separierenden Phase im wesentlichen nicht beeinträchtigen.The system according to the invention can preferably be operated at normal pressure, the usual fluctuations in the ambient pressure essentially not impairing the separation of the phase to be separated.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist weiterhin auf keine vorgegebene Anwendungszeit in einem System beschränkt, da stets eine Ableitung der zu separierenden Phase durch die Zuleitung erfolgt. Dennoch ist darauf zu achten, dass die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung stets gegeben ist. Hierbei ist es u. a. vorstellbar, dass es zur Verschmutzung der Membran und somit zur Verstopfung der Poren kommen kann, die die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung beeinträchtigen; insbesondere wenn die Vorrichtung neben der erfindungsgemäßen Funktion zur Gas- bzw. Flüssigkeitsabscheidung weiterhin noch zur Abtrennung von Partikeln innerhalb des Fluids dient. Hierbei werden Partikel, die größer als der Porendurchmesser sind, in der Zuleitung des Systems zurückgehalten, so dass das Fluid im wesentlichen partikelfrei die Ableitung passiert. Beispielsweise kann die Vorrichtung zur Abtrennung von Mikroorganismen aus einem Fluid dienen. Unter diesen Umständen wird die Vorrichtung somit auch zur Sterilisation von Fluiden eingesetzt. Eine derartige zusätzliche Funktion der Vorrichtung kann jedoch zu der oben beschriebenen Verschmutzung insbesondere der Membran der Ableitung führen, so dass hierdurch die Lebensdauer der Vorrichtung entsprechend dem Anwendungsgebiet unter Umständen limitiert ist. Um die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung zu gewährleisten, wird in einer vorteilhaften Ausführungsform ein Sensor im mikrofluidischen Durchflusssystem integriert, der das Fluid nach dem Phasenseparationsschritt vermisst. Ein solcher Sensor ist z. B. innerhalb der Ableitung oder allgemein stromabwärts bzgl. der erfindungsgemäßen Vorrichtung innerhalb des Systems denkbar, und kann z. B. in einer Mikrodialysesonde realisiert werden. Beispielsweise dient der Sensor dann zur Detektion von Blasen bzw. Flüssigkeitstropfen in dem Fluid oder zur Detektion derThe device according to the invention is furthermore not limited to a predetermined application time in a system, since the phase to be separated is always derived by the feed line. Nevertheless, care must be taken to ensure that the device is always functional. Here it is u. a. it is conceivable that the membrane may become dirty and thus the pores may become blocked, which impair the functionality of the device; especially if the device also serves, in addition to the gas or liquid separation function according to the invention, to separate particles within the fluid. Particles that are larger than the pore diameter are retained in the feed line of the system, so that the fluid passes the discharge line essentially without particles. For example, the device can be used to separate microorganisms from a fluid. Under these circumstances, the device is also used for the sterilization of fluids. Such an additional function of the device can, however, lead to the above-described contamination, in particular of the membrane of the discharge line, so that the service life of the device may be limited depending on the field of application. In order to ensure the functionality of the device, in an advantageous embodiment a sensor is integrated in the microfluidic flow system, which measures the fluid after the phase separation step. Such a sensor is e.g. B. within the derivative or generally downstream with respect to the device according to the invention within the system, and z. B. can be realized in a microdialysis probe. For example, the sensor is then used to detect bubbles or liquid drops in the fluid or to detect the
Fließgeschwindigkeit, die bei Verstopfung der Membranen entsprechend abfallen würde. Überwacht ein Sensor die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung, ist es somit dem Benutzer möglich einen Austausch des Systems vorzunehmen, sobald die Funktion der Gas- oder Flüssigkeitsabscheidung nicht mehr in zufriedenstellendem Maße gewährleistet ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dann vorteilhafterweise als Einmalartikel ausgestaltet und kann in dem zur Verwendung vorgesehenen System einfach ausgetauscht werden. Natürlich ist es auch denkbar, die Vorrichtung bei einer Verschmutzung der Membran durch entsprechende Spülprozesse wieder zu reinigen. Hinsichtlich der einfachen und kostengünstigen Herstellung der Vorrichtung erweist sich jedoch die Verwendung des Systems als Einmalartikel als bevorzugt.Flow rate that would drop accordingly if the membranes became blocked. If a sensor monitors the function of the device according to the invention, it is thus possible for the user to replace the system as soon as the function of the gas or liquid separation is no longer guaranteed to a satisfactory extent. The device according to the invention is then advantageously designed as a disposable article and can be used in the system intended for use can be easily exchanged. Of course, it is also conceivable to clean the device again if the membrane is contaminated by appropriate rinsing processes. With regard to the simple and inexpensive manufacture of the device, however, the use of the system as a disposable item proves to be preferred.
Nachfolgend wird anhand der Figuren beispielhaft der Erfindungsgegenstand näher erläutert.The subject of the invention is explained in more detail below with reference to the figures.
Figur 1: Vorrichtung zur Gasabscheidung mit Zu- und Ableitung in Form einer Hohlfasermembran.Figure 1: Device for gas separation with supply and discharge in the form of a hollow fiber membrane.
Figur 2: Vorrichtung zur Gasabscheidung mit nur einer Hohlfasermembran.Figure 2: Device for gas separation with only one hollow fiber membrane.
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung (10) zur Gasabscheidung, die in einem Schlauchsystem (1) integriert ist. Das Schlauchsystem (1) ist fluidisch mit der Vorrichtung (10) zur Gasabscheidung verbunden und wird über einen Klebstoff (5) an die Vorrichtung angebunden. Hierbei ist der Klebstoff (5) so gewählt, dass er das System fluidisch abdichtet und folglich impermeabel für das zu transportierende Fluid (4) innerhalb des Systems ist. Die Vorrichtung (10) weist eine Zuleitung (2) auf, die im gezeigten Beispiel vollständig durch eine hydrophobe Hohlfasermembran gebildet wird. Innerhalb der hydrophoben Hohlfasermembran wird die Ableitung (3) geführt, die ebenfalls vollständig durch eine hydrophile Hohlfasermembran ausgebildet ist. Passiert Flüssigkeit den Bereich des Schlauchsystems, in dem die Vorrichtung zur Gasabscheidung integriert ist, und ist in der Flüssigkeit Gas enthalten, so findet im Bereich der hydrophilen Membran eine Separation der Flüssigkeit von der Gasphase statt. Hierbei kann ausschließlich das Fluid im flüssigen Zustand durch die hydrophile Membran die Ableitung passieren und somit in den Schlauchbereich (lb) gelangen. Die in der Flüssigkeit enthaltenen Blasen (6) sammeln sich folglich innerhalb der Zuleitung vor der hydrophilen Membran an, wo sie durch die hydrophobe Membran der Zuleitung (2) entweichen können. Hierbei erstreckt sich die hyrophobe Membran in alleFigure 1 shows a device (10) for gas separation, which is integrated in a hose system (1). The hose system (1) is fluidly connected to the device (10) for gas separation and is connected to the device via an adhesive (5). The adhesive (5) is selected so that it seals the system fluidically and is consequently impermeable to the fluid (4) to be transported within the system. The device (10) has a feed line (2) which, in the example shown, is formed entirely by a hydrophobic hollow fiber membrane. The derivation (3), which is likewise completely formed by a hydrophilic hollow fiber membrane, is guided within the hydrophobic hollow fiber membrane. If liquid passes the area of the hose system in which the device for gas separation is integrated and gas is contained in the liquid, the liquid is separated from the gas phase in the area of the hydrophilic membrane. Here, only the fluid in the liquid state can pass through the hydrophilic membrane and thus reach the hose area (lb). The bubbles (6) contained in the liquid consequently accumulate in the feed line in front of the hydrophilic membrane, where they can escape through the hydrophobic membrane of the feed line (2). The hydrophobic membrane extends into all of them
Raumrichtungen, sodass eine Entweichung der Gasblasen unabhängig von der Lager der Vorrichtung möglich ist.Spatial directions, so that the gas bubbles can escape regardless of the bearing of the device.
Figur 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gasabscheidung. Die Vorrichtung weist eine Zuleitung (2) auf, die in einem vorderen Bereich eine hydrophobe Membran (2a) besitzt. Die Zuleitung ist fluidisch mit der Ableitung (3) verbunden, die am vorderen Ende durch eine hydrophile Membran (3a) verschlossen ist. Wird Flüssigkeit (4) von der Zuleitung hin zur Ableitung transportiert, muss diese hierfür die am vorderen Ende der Ableitung (3) positionierte hydrophile Membran (3a) passieren, die sich in Form einer Trennschicht durch das Schlauchsystem erstreckt und somit die Zuleitung von der Ableitung abtrennt. Die hydrophile Membran (3a) ist bevorzugt durch ein polymeres Material (5) mit der Ableitung (3) verklebt oder verschweißt. Sie weist einen Abstand von der hydrophoben Membran (2a) auf, der vorzugsweise zwischen 0 und maximal dem 10-fachen, bevorzugt dem 2-fachen, insbesondere den 0,5-fachen Durchmesser der Zu- oder Ableitung liegt. Gasblasen, die sich innerhalb der Flüssigkeit im vorderen Bereich der Zuleitung ansammeln, können durch die hydrophobe Membran (2a), analog zu Figur 1 entweichen, so dass es zu einer Entgasung der Flüssigkeit (4) kommt.FIG. 2 shows a further device for gas separation according to the invention. The device has a feed line (2) which has a hydrophobic membrane (2a) in a front area. The supply line is fluid with the discharge line (3) connected, which is closed at the front end by a hydrophilic membrane (3a). If liquid (4) is transported from the supply line to the discharge line, this must pass through the hydrophilic membrane (3a) positioned at the front end of the discharge line (3), which extends in the form of a separating layer through the hose system and thus the supply line from the discharge line separates. The hydrophilic membrane (3a) is preferably glued or welded to the discharge line (3) by a polymeric material (5). It is at a distance from the hydrophobic membrane (2a) which is preferably between 0 and a maximum of 10 times, preferably 2 times, in particular 0.5 times the diameter of the inlet or outlet. Gas bubbles that collect within the liquid in the front area of the feed line can escape through the hydrophobic membrane (2a), analogously to FIG. 1, so that the liquid (4) is degassed.
Die gezeigten Ausführungen sind beispielhaft zu verstehen und im Rahmen der Erfindung auf vielfältige Weise veränderbar. Erfindergemäß erlaubt hierbei eine kombinierte Anordnung einer hydrophoben und hydrophilen Membran eine Phasenseparation für Mikrofluidische Systeme. The embodiments shown are to be understood as examples and can be varied in many ways within the scope of the invention. According to the invention, a combined arrangement of a hydrophobic and hydrophilic membrane allows phase separation for microfluidic systems.

Claims

Patentansprüche claims
1. Mikrofluidische Vorrichtung zur Gasabscheidung aus einem mikrofluidischem Durchflusssystem beinhaltend - eine fluidische Zuleitung, die mindestens in einem Bereich eine hydrophobe Membran aufweist, durch die Gas in der Zuleitung entweichen kann sowie eine Ableitung, die mindestens in einem Bereich eine hydrophile Membran aufweist, die im wesentlichen für eine Flüssigkeit permeabel und für ein Gas impermeabel ist, wobei - Zu- und Ableitung in der Weise miteinander fluidisch verbunden sind, dass eine Flüssigkeit, die von der Zuleitung in die Ableitung fließt, die hydrophile Membran passieren muss.1.Microfluidic device for gas separation from a microfluidic flow-through system comprising - a fluidic feed line which has a hydrophobic membrane at least in one area, through which gas can escape in the feed line, and a drain line which has a hydrophilic membrane in at least one area, which is essentially permeable to a liquid and impermeable to a gas, the supply and discharge lines being fluidly connected to one another in such a way that a liquid which flows from the supply line into the discharge line must pass through the hydrophilic membrane.
2. Mikrofluidische Vorrichtung zur Flüssigkeitsabscheidung aus einem mikrofluidischen Durchflusssystem, beinhaltend eine fluidische Zuleitung, die mindestens in einem Bereich eine hydrophile Membran aufweist, durch die Flüssigkeit in der Zuleitung entweichen kann sowie eine Ableitung, die mindestens in einem Bereich eine hydrophobe Membran aufweist, die im wesentlichen für ein Gas permeabel und für eine Flüssigkeit impermeabel ist, wobei Zu- und Ableitung in der Weise miteinander fluidisch verbunden sind, dass ein Gas, das von der Zuleitung in die Ableitung fließt, die hydrophobe Membran passieren muss.2.Microfluidic device for liquid separation from a microfluidic flow system, comprising a fluidic feed line, which has a hydrophilic membrane in at least one area, through which liquid can escape in the feed line, and a drain line, which has a hydrophobic membrane in at least one area is essentially permeable to a gas and impermeable to a liquid, the supply and discharge lines being fluidly connected to one another in such a way that a gas which flows from the supply line into the discharge line must pass through the hydrophobic membrane.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Zuleitung im wesentlichen in allen Raumrichtungen eine oder mehrere Membranen aufweist.3. Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the feed line has one or more membranes essentially in all spatial directions.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die hydrophobe Membran eine Hohlfasermembran ist.4. The device according to claim 1 or 2, wherein the hydrophobic membrane is a hollow fiber membrane.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 4, bei der die hydrophile Membran eine Hohlfasermembran ist.5. The device of claim 1, 2 or 4, wherein the hydrophilic membrane is a hollow fiber membrane.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die hydrophile Membran innerhalb eines Bereiches der hydrophoben Membran angeordnet ist.6. The device according to claim 1, in which the hydrophilic membrane is arranged within a region of the hydrophobic membrane.
7. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die hydrophobe Membran innerhalb eines Bereiches der hydrophilen Membran angeordnet ist.7. The device of claim 2, wherein the hydrophobic membrane is disposed within a region of the hydrophilic membrane.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die hydrophobe und hydrophile Membrane in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind und der Abstand der Membrane zueinander kleiner als der 10-fache Durchmesser der Zu- oder Ableitungen ist.8. The device according to claim 1 or 2, wherein the hydrophobic and hydrophilic membrane are arranged in close proximity to one another and the distance of the membrane to each other is smaller than 10 times the diameter of the feed or discharge lines.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die hydrophobe und hydrophile Membrane in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind und der Abstand der Membrane zueinander kleiner als der 2-fache, vorteilhafterweise kleiner als der 0,5-fache Durchmesser der Zu- oder Ableitung.9. The device according to claim 8, wherein the hydrophobic and hydrophilic membrane are arranged in close proximity to each other and the distance of the membrane from each other is less than 2 times, advantageously less than 0.5 times the diameter of the feed or discharge.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die in einer Schlauchleitung integriert ist.10. The device according to claim 1 or 2, which is integrated in a hose line.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die so beschaffen ist, dass im Bereich der Membran der Zuleitung die Fließgeschwindigkeit eines Fluids herabgesetzt wird.11. The device according to claim 1 or 2, which is such that the flow rate of a fluid is reduced in the region of the membrane of the feed line.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, die in einem Ultrafiltrationssystem verwendet wird.12. The apparatus of claim 1 used in an ultrafiltration system.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1, die in einem Mikrodialysesystem verwendet wird. 13. The apparatus of claim 1 used in a microdialysis system.
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