CN102633226B - 用于流体应用的微系统以及其制造方法和使用方法 - Google Patents

Abstract

用于流体应用的微系统（10，50，80）具有基质（20，51，84），所述基质具有储集件（15，52，85）、与所述储集件（15，52，85）连接的第一微通道（16，53，86）以及通过连接片（17，54，87）与所述第一微通道（16，53，86）分隔开的第二微通道（18，55，88）。所述微系统此外具有位于所述基质（20，51，84）上的弹性的薄膜（13，58，83），所述薄膜围绕所述储集件（15，52，85）具有与所述基质（20，51，84）接合的接合部并且封闭所述储集件（15，52，85）。在此，所述接合部（33，68）具有耐久的接合面（29，65，89）并且在所述连接片（17，54，87）上具有可凸裂的连接片接合面（31，66），所述连接片接合面在连接片（17，54，87）的两端连接到所述耐久的接合面（29，65，89）上。这样的微系统（10，50，80）形成了具有试剂样品的加工集成片。

Description

用于流体应用的微系统以及其制造方法和使用方法

技术领域

本发明涉及一种用于流体应用的微系统以及用于流体应用的微系统的相应的制造方法和使用方法。

背景技术

在例如用于诊断学或者分析学的微流体系统中，必须引入试剂液体。这种微系统是理想无菌的一次性产品并且因此通常由塑料制成。

按现有技术的通常的做法是在反应化验（Assay）流程的过程中供给试剂液体。这种供给通过比如像喷射泵的外部设备来实现，所述喷射泵通过软管与微流体系统连接。另外一种可能性是在井槽中液体的抽吸器，它是安装在通道开口处的小壶。这里提出，液态的试剂放在微流体系统中。在此，液体位于玻璃安瓿中，所述玻璃安瓿被置入微通道中。这种安瓿在化验流程的过程中被机械地破坏并且因此清空。从外面对试剂液体的配量取决于用户和/或设备并且受到例如体积波动、液体的污染以及错误试剂的加入的故障影响。

文献US 2006/0076068描述了在微系统中将膜片作为阀或者作为泵使用的可能性。

发明内容

本发明基于一种由坚硬的、形状稳固的、平坦的基质以及一种弹性的、活动的膜片或者说薄膜构成的多层结构。基质包含至少一个用于容纳液态形式的试剂的凹槽以及一个通过预定破坏位置与其分隔开的、用于清空储集件的微通道。借助于弹性的膜片封闭凹槽。通过使膜片偏移进凹槽将液体沿着清空通道的方向挤出，由此在通道区域中靠近预定破坏位置产生了提高的液体压力，方法是在那里向上偏移膜片。

如此设计预定破坏位置，使得其在超过临界的压力时断裂。这种效果能够通过不同的技术实现，例如借助于薄膜焊接通过使用确定的焊接参数或者通过接合缝或者说接合区的确定的几何形状来实现。通过这种类型和方式也能够在系统中布置多个储集件，这些储集件在不同的临界压力时发生断裂。用于清空储集件的膜片偏移例如能够机械地、热动地或者气动地完成。通过破坏预定破坏位置制造通往清空通道的流体连接并且能够清空储集件。

本发明包括用于在微流体的系统的制造过程中包围试剂液体的方法。此外本发明能够实现有目标的打开以及在化验流程的过程中在确定的时刻液体储集件的随后完全的和主动的清空。

本发明的一个重要的优点是，避免了将大量液体储存在与微流体系统相连的外部的容器中并且直到接下来歪曲分析结果时才出现的与其相关的无菌问题。

本发明的其它的优点是，所描述的利用聚合物材料和激光焊接的制造方法能够实现用于所考虑的应用的一次性微系统的经济的制造。

液体能够以得到保护的、密封的形式进行储存。能够质量监控地，也就是说体积准确地在生产过程中提交体积。储集件在使用时刻才准确地打开，由此由于运输影响或者用户影响对化验流程的故障影响被最小化。储集件准确地位于微流体系统中的使用位置上，从而最小化无效体积（Totvolumina）。由此避免了污染以及提高了与利用软管连接到微系统的喷射泵相比的配量准确性。用户不接触试剂，由此改善了卫生情况。通过主动地清空储集件，与抽吸相比实现了较高的用户友好性并且节省时间。此外，例如在激光焊接时节省了手工的工作步骤。通过适当的制造方法也能够包围热感应的试剂。避免了使用置入部件，比如玻璃安瓿。此外避免了用于试剂液体的附加的包装步骤。

附图说明

图1A－D示意性地在A、C两部分中示出了按本发明的一种实施方式的微系统的截取区段的纵剖面图并且在B、D两部分中示出了该截取区段的俯视图，分别在A、B两部分中示出了完好的连接片接合面（Steg－Fuegeflaeche）并且在C、D两部分中示出了凸裂的连接片接合面，

图2A－D示意性地又在A、C两部分中示出了按本发明的另一种实施方式的微系统的截取区段的纵剖面图并且在B、D两部分中示出了该截取区段的俯视图，分别在A、B两部分中示出了完好的连接片接合面并且在C、D两部分中示出了凸裂的连接片接合面，

图3A－C示意性地示出了按本发明的另一种实施方式的微系统的截取区段，在A部分中示出了该截取区段的具有凸裂的连接片接合面的侧视图，并且在B部分中示出了该截取区段的俯视图，在C部分中示出了该截取区段的局部放大图，

图4示出了用于按本发明的一种实施方式的微系统的制造方法的流程图，

图5示出了用于按本发明的一种实施方式的微系统的使用方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一种实施方式的微系统在该微系统10的截取区段上的结构和作用原理。A部分示出了基本上平面类型的微系统10的层状的构造，该微系统具有基础基质层11、位于所述基础基质层11上的流体基质层12以及位于所述流体基质层12上的弹性的薄膜13。所述基础基质层11是非结构化的并且用作稳固的底座。所述流体基质层12包含流体网络的部件。

所示出的截取区段具有储集件15、与所述储集件15相连的第一微通道16以及通过连接片17与所述第一微通道16分隔开的第二微通道18。在示出的截取区段外，流体网络的其它的部件连接到所述第二微通道18上。基础基质层11和流体基质层12共同形成基质20。基质20具有邻接到薄膜13的表面21。区域22中的基质材料、储集件15的开口19、第一微通道16的背离储集件15的端部27以及第二微通道18邻接到表面21。储集件15以及第一微通道16充有试剂液体23。第二微通道18不必充有试剂液体。

图1的B部分目前解释了薄膜13与基质20的接合。薄膜13在区域22中平面地与基质20相连。薄膜13在基质20上形成弹性的第一薄膜部分24，所述第一薄膜部分利用耐久的、连续的、环绕的与基质20接合的接合面25封闭储集件15。薄膜13在基质20上形成弹性的第二薄膜部分26，所述第二薄膜部分覆盖连接片17以及第一和第二微通道16、18的端部27、28。第二薄膜部分26在其圆周上具有与基质20接合的、耐久的接合面30并且在连接片17上具有与基质20接合的、可凸裂的连接片接合面31，所述连接片接合面31在连接片17的两个端部32上连接到耐久的接合面30上。

第一微通道16在储集件15与端部27之间延伸而不在基质的表面21上延伸。储集件15以及与其连接的第一微通道16充有试剂液体23。它们共同形成了连通的空腔34，所述空腔完全被基质20、第一薄膜部分24以及第二薄膜部分26包围。由于第一薄膜部分24的连续的、环绕的接合面25，储集件15的开口19是密封的。由于耐久的接合面30以及第二薄膜部分26的与其连接的连接片接合面31，第一微通道16的背离的端部27是封闭的。因此，连通的空腔34借助于薄膜部分24和26来封闭。

薄膜13在所示出的区段外边也如此与基质20连接，从而使得薄膜13遮盖第二微通道18。第二微通道18因此不具有向外的开口。耐久的接合面25和30组合成耐久的接合面29。基质20上的薄膜13因而围绕储集件15具有与基质20接合的接合部33并且封闭储集件15，其中接合部33具有耐久的接合面29并且在连接片17上具有可凸裂的连接片接合面31，所述连接片接合面在连接片17的两个端部上连接到耐久的接合面29上。

根据图1的C部分和D部分目前解释了微系统10的截取区段的作用原理。首先将弹性的第一薄膜部分24压入到储集件15中，这个过程通过箭头37表示。因此将试剂液体23的液体体积从连通的空腔34中挤出，所述液体体积向着弹性的第二薄膜部分26挤压并且导致其变形。在此在第一微通道16的端部27的区域中在第二薄膜部分26下面形成了置换空腔，所述置换空腔容纳挤出的试剂液体23。在第二薄膜部分26发生足够的变形时，基质20与薄膜13之间的接合部33就在可凸裂的连接片接合面31上破裂。通过连接片17以及第一和第二微通道16、18的端部27、28形成空腔36，通过所述空腔36试剂液体23从第一微通道16流入到第二微通道18中。

图1的C部分和D部分目前示出了在连接片接合面31凸裂之后微系统10的截取区段的状态。薄膜13沿箭头37的方向压入到储集器15中。连接片接合面31以剩余残留物41的方式在中间40发生凸裂。试剂液体23目前只填充储集件15的储集部分38，但是也填充第一微通道16、空腔36以及第二微通道18。

在这种实施方式中可凸裂的连接片接合面31具有沿第一微通道16方向的箭头尖部的形状。这促使可凸裂的连接片接合面31的限定的凸裂在其功能上成为预定破坏位置（Sollbruchstelle）。

在这种实施方式中基质20具有邻接到薄膜部分24和26的、带有流体结构的流体基质层12以及与薄膜部分24和26对置的、作为盖层的基础基质层11。因此能够将流体基质层12的全部厚度用于如储集件15以及第一微通道16的空腔。这简化了微系统的制造，因为邻接到盖层上的全部空腔由盖层限定。

薄膜13并且因而第一和第二薄膜部分24、26优选具有弹性的聚合物，例如聚氨酯。基质20优选具有热塑性的聚合物，例如聚碳酸酯。凹槽、储集件15的有利的体积是1μl到500μl。除了聚合物之外也可以是由形状稳固的和弹性的基质构成的材料组合，所述材料组合能够通过合适的制造方法局部地相互连接，例如通过超声波焊接、粘接、激光焊接、微波焊接。

按本发明的微系统10形成具有试剂样品的加工集成片（Prozessierchip）。通过限定地压入薄膜13以及凸裂具有试剂液体23的连通的空腔的封闭件够一次地或者重复地将限定量的试剂液体23输送到第二微通道中18并且因此在流体系统中输送到任意位置。

图2示出了按照本发明的另一种实施方式的微系统50的截取区段的纵剖面图，该纵剖面图在A部分中具有完好的连接片接合面并且在B部分中具有凸裂的连接片接合面。

与图1的微系统10不同，微系统50具有唯一的基质51层。基质51具有储集件52、与储集件52相连的第一微通道53以及通过连接片54与第一微通道53分隔开的第二微通道55。流体网络的全部空腔不邻接到基质51的下侧面56上，而是邻接到与薄膜58邻接的表面57上。

因此第一微通道53从储集件52延伸到基质51的表面57上的连接片54。储集件52以及与其相连的第一微通道53充有试剂液体59。它们在表面57上形成连通的空腔60。弹性的薄膜58封闭储集件并且覆盖连接片54以及第一和第二微通道53、55的端部67、68。弹性的薄膜58围绕储集件52具有与基质51接合的、耐久的接合面65并且在连接片54上具有与基质接合的、可凸裂的连接片接合面66，所述连接片接合面在连接片54的两个端部67、68上连接到耐久的接合面65上。耐久的连接面65以及可凸裂的连接片接合面66围绕储集件52形成与基质51接合的接合部，所述接合部封闭储集件52。在这种实施方式中，储集件52以及到清空通道55的连接部布置在基质51的表面上，能够有利地采取推杆驱动（Stößelaktuierung）以清空储集件52。

图2的C部分和D部分仅仅示出了在连接片接合面66凸裂之后微系统50的截取区段的状态。将薄膜58压入到储集件52中。连接片接合面66以剩余残留物71的方式在中间70凸裂。试剂液体59目前仅仅只充入储集件52的储集部分72，但是也填充第一微通道53、空腔73以及第二微通道55。

图3示出了按本发明的另一种实施方式的带有凸裂的连接片接合面的微系统80。微系统80如同图1的微系统10一样具有基础基质层81、位于基础基质层81上的流体基质层82以及位于流体基质层81上的弹性的薄膜83。基础基质层81以及流体基质层82形成基质84。

所示出的截取区段又具有储集件85、与储集件85连接的第一微通道86以及通过连接片87与第一微通道分隔开的第二微通道88。在第二微通道88上在示出的截取区段外边连接有流体网络的其它部件。薄膜83具有与基质84接合的、耐久的接合面89并且具有与基质84接合的、可凸裂的、在这里已凸裂地示出的连接片接合面，所述连接片接合面在连接片87的两个端部上连接到耐久的接合面89上。

与图1的微系统10不同，微系统80具有邻接到薄膜83上、与基质84对置的保护层92，该保护层在连接片87上可凸裂的接合面的区域中具有空隙93并且在储集件85的区域中具有空隙94。如果薄膜83围绕储集件85的区域或者在连接片87上撕裂，那么保护层92一方面保证了薄膜83不受损害并且另一方面提供了对溢出的试剂液体95的保护。空隙94仅仅局部地允许膜片或者说薄膜83的偏移。弹性的膜片或者说薄膜83的偏移于是导致破坏了在这个区域中完整的接合部并且导致构造了从第一微通道86到第二微通道88的流体连接。

根据图3的C部分放大地示出了，在连接片87上薄膜83的连接片接合面如何凸裂。通过连接片87以及第一和第二微通道86、88的端部形成了空腔，穿过该空腔试剂液体95从第一微通道86流入到第二微通道88中。

微系统10、50、80形成了具有试剂样品的加工集成片。

图4示出了用于按本发明的实施方式的微系统10、50、80的制造方法的流程图100。该制造方法从用于流体应用的、具有基质20、51、84的微系统10、50、80出发，所述基质具有储集件15、52、85、与储集件15、52、85相连的第一微通道16、53、86以及通过连接片与第一微通道16、53、86分隔开的第二微通道18、55、88。以使储集件15、52、85充有试剂液体的方法步骤a）开始所述方法。接下来是方法步骤b）在基质20、51、84上进行布置并且形状配合连接地使薄膜13、64、58、83与基质20、51、84接合，其中薄膜13、64、58、83围绕储集件15、52、85形成与基质20、51、84接合的接合部，所述接合部形成了将第一和第二微通道16、53、86；18、55、88分隔开的、在连接片上可凸裂的与基质20、51、84接合的接合面。

例如借助于吸液机器人（Pipettierroboter）将例如是PCR缓冲剂、Lyse缓冲剂、洗涤缓冲剂、洗提缓冲剂的试剂液体填充到储集件15、52、85中这种方式实现为储集件15、52、85充有试剂液体。

膜片或者说薄膜13、64、58、83布置在基质20、51、84上方并且形状配合连接地焊接，由此试剂液体包围在储集件15、52、85中。局部地优选借助于激光焊接、超声波焊接、微波焊接或者粘接沿着储集件15、52、85的轮廓实现接合。对此可凸裂的接合面作为膜片或者说薄膜13、64、58、83的预定破坏位置进行制造。能够通过应用比在膜片的耐久的接合时弱的接合参量、例如狭窄的焊缝的方式或者通过接合缝的形状在一个位置上引起机械应力集中的方式获得预定破坏位置。

在图1到3的实施方式中，两种方案都得到应用，即一方面在薄膜13、64、58、83 与基质表面进行平面焊接时在连接片上应用薄膜13、64、58、83的狭窄的焊缝并且另一方面在连接片上以箭头尖端的形状应用薄膜13、64、58、83的焊缝，所述箭头尖端将机械应力在尖端上集中。

图5示出了用于按本发明的实施方式的微系统10、50、80的使用方法的流程图110。该使用方法从用于流体应用的、具有基质的微系统10、50、80出发，所述微系统具有充有试剂液体的储集件15、52、85、与储集件15、52、85相连的第一微通道以及借助于可凸裂的流体障碍物与第一微通道分隔开的第二微通道，其中储集件利用弹性的薄膜封闭。以方法步骤a）将薄膜13、64、58、83偏移到储集件15、52、85中并且从储集件15、52、85挤出试剂液体开始所述方法。接下来是方法步骤b）凸裂可凸裂的流体障碍物。现在接下来是方法步骤c）将试剂液体从储集件15、52、85穿过第一微通道16、53、86沿着凸裂的流体障碍物输送到第二微通道18、55、88中。

微系统10、50、80优选具有弹性的薄膜部分，所述薄膜部分覆盖第一和第二微通道16、53、86；18、55、88的端部以及在它们之间的连接片，其中薄膜13、64、58、83围绕储集件形成与基质接合的接合部，所述接合部具有将第一和第二微通道16、53、86；18、55、88分隔开的、在连接片上可凸裂的、作为流体障碍物与基质接合的接合面。借助于控制设备有利地使薄膜13、64、58、83偏移到储集件15、52、85中。

Claims (14)

1.用于流体应用的微系统（10，50，80），其具有基质（20，51，84）以及位于所述基质（20，51，84）上的弹性的薄膜（13，58，83），所述基质具有储集件（15，52，85）、与所述储集件（15，52，85）连通的第一微通道（16，53，86）以及通过连接片（17，54，87）与所述第一微通道（16，53，86）分隔开的第二微通道（18，55，88），所述薄膜围绕所述储集件（15，52，85）具有与所述基质（20，51，84）接合的接合部并且封闭所述储集件（15，52，85），所述储集件（15，52，85）充有试剂液体，其中所述接合部（33，68）具有耐久的接合面（29，65，89）并且在所述连接片（17，54，87）上具有可凸裂的连接片接合面（31，66），所述连接片接合面在连接片（17，54，87）的两端连接到所述耐久的接合面（29，65，89）上，所述薄膜（13，58，83）可偏移到所述储集件（15，52，85）中并且从所述储集件（15，52，85）挤出试剂液体，当超过试剂液体的临界的压力时，可凸裂的连接片接合面在预定破坏位置断裂，从而试剂液体从所述储集件（15，52，85）穿过所述第一微通道（16，53，86）沿着已断裂的连接片接合面输送到所述第二微通道（18，55，88）中。

2.按权利要求1所述的微系统，其特征在于，所述薄膜（13，58，83）具有第一薄膜部分（24）以及第二薄膜部分（26），所述第一薄膜部分封闭所述储集件（15，52，85），所述第二薄膜部分覆盖并且封闭所述连接片（17，54，87）以及所述第一微通道（16，53，86）和第二微通道（18，55，88）的端部。

3.按权利要1所述的微系统，其特征在于，所述可凸裂的连接片接合面（31，66）沿着所述第一微通道（16，53，86）的方向具有箭头尖端的形状。

4.按权利要求1所述的微系统，其特征在于，所述薄膜（13，58，83）具有弹性的聚合物。

5.按权利要求1所述的微系统，其特征在于，所述基质（20，51，84）具有热塑性的聚合物。

6.按权利要求1所述的微系统，其特征在于，所述基质（20，51，84）具有邻接到所述薄膜（13，58，83）上的、具有流体结构的流体基质层（12）以及与所述薄膜（13，58，83）对置的盖层（11）。

7.按权利要求1所述的微系统，其特征在于，所述微系统（10，50，80）具有邻接到所述薄膜（13，58，83）上的保护层（92），所述保护层相对于所述基质（20，51，84）在所述可凸裂的连接片接合面（31，66）的区域中具有空隙（93）。

8.按权利要求1所述的微系统，其特征在于，所述微系统（10，50，80）形成了具有试剂样品的加工集成片。

9.用于流体应用的、具有基质（20，51，84）的微系统（10，50，80）的制造方法，所述基质具有储集件（15，52，85）、与所述储集件（15，52，85）连接的第一微通道（16，53，86）以及通过连接片（17，54，87）与所述第一微通道（16，53，86）分隔开的第二微通道（18，55，88），所述制造方法具有以下方法步骤：

a. 将所述储集件（15，52，85）充有试剂液体；

b. 在所述基质（20，51，84）进行布置并且将薄膜（13，58，83）与所述基质（20，51，84）接合，其中所述薄膜（13，58，83）围绕所述储集件（15，52，85）形成与所述基质接合的接合部（33，68），所述接合部形成了将所述第一微通道（16，53，86）和第二微通道（18，55，88）分隔开的、在所述连接片（17，54，87）上可凸裂的、与所述基质接合的连接片接合面（31，66）。

10.按权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述接合借助于局部的接合方法来实现。

11.按权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述接合方法是激光焊接或超声波焊接。

12.用于流体应用的、具有基质（20，51，84）的微系统（10，50，80）的使用方法，所述基质具有充有试剂液体的储集件（15，52，85）、与所述储集件（15，52，85）连接的第一微通道（16，53，86）以及借助于可凸裂的连接片接合面（31，66）与所述第一微通道（16，53，86）分隔开的第二微通道（18，55，88），其中所述储集件利用弹性的薄膜（13，58，83）封闭，所述使用方法具有以下方法步骤：

a. 使所述薄膜（13，58，83）偏移到所述储集件（15，52，85）中并且从所述储集件（15，52，85）挤出试剂液体；

b. 凸裂所述可凸裂的连接片接合面；

c. 将试剂液体从所述储集件（15，52，85）穿过所述第一微通道（16，53，86）沿着所述可凸裂的连接片接合面（31，66）输送到所述第二微通道（18，55，88）中。

13.按权利要求12所述的使用方法，其特征在于，所述微系统（10，50，80）具有弹性的薄膜（13，58，83），所述薄膜覆盖所述第一微通道（16，53，86）和第二微通道（18，55，88）的端部以及位于它们之间的连接片（17，54，87），其中所述薄膜（13，58，83）围绕所述储集件（15，52，85）形成与所述基质（20，51，84）接合的接合部，所述接合部具有将所述第一微通道（16，53，86）和第二微通道（18，55，88）分隔开的、在所述连接片（17，54，87）上可凸裂的、作为流体障碍物与所述基质接合的连接片接合面（31，66）。

14.按权利要求12所述的使用方法，其特征在于，所述薄膜（13，58，83）借助于控制设备或者手动偏移到所述储集件（15，52，85）中。