CN102896005A - 具有用于存储流体的腔室的微流体装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微流体装置（5、35、55、75），其具有用于存储液体的腔室（1、31、51、71），其中，所述腔室（1、31、51、71）在内壁上至少部分地具有疏水的表面（2、32、52、72）。
Description
技术领域
本发明涉及一种按照独立权利要求的类型所述的、具有用于存储液体的腔室的微流体装置。
背景技术
微流体装置例如作为所谓的Lab-on-chip（芯片实验室）系统用于环境分析或者医学分析。在微流体装置中存储液体，并且与其它的液体混合。
文献US 2006 0029808公开了一种作为用于微流体通道的、排斥脏物的涂层的超疏水表面。这样一种表面在基片上包括多层聚合物电解质。
发明内容
根据本发明的微流体装置，其具有用于存储液体的腔室，其中，所述腔室在内壁上至少部分地具有超疏水表面，与到目前为止的微流体系统相比其具有下述优点：能够可靠地移动小的、例如<100μl的液体量。这可以通过下述措施实现：如此减小对内壁上的液体起作用的表面力，从而作用到液体上的容积力、例如重力，超过表面力。
当在液体、特别是水与表面之间的接触角至少为90度时，该表面被称为疏水的。当该接触角小于90度时，这个表面被称为亲水的。当接触角大于120度、例如大于150度、例如为175度时，并且同时被定义为前进的和后退的接触角之间的差的接触角度滞后，小于50度、例如小于10度、例如为5度时，该表面被称为超疏水的。
通过在从属权利要求中所列举的措施可以实现在独立权利要求中所说明的微流体装置的有利的改进方案和改善方案。
特别有利的是，在运行状态中如此地定位腔室，从而通入到腔室中的通道的至少一个通入口沿作用到液体上的重力和/或离心力的方向对准。由此在通入口处的少量液体汇集到腔室中，并且能够通过通道从腔室中运动出来。
有利的是，将通入口布置在漏斗形的或者设计成半球形的内壁上。因此可改进液滴朝入口处的滚落。
特别有利的是，微流体装置具有第一和第二层，其中，这两个层中的至少一个层是结构化的，并且如此连接这些层，从而在它们之间构造通入到腔室中的通道。通过这一措施可简化地将腔室集成到微流体装置中。
此外有利的是，腔室具有用于压力平衡的开口，因为通过这一举措可防止产生与液体朝通入口方向的运动相反作用的压力。
特别有利的是，超疏水表面最高具有10度的接触角度滞后。小的接触角度滞后导致了，在超疏水表面上的液滴在小的倾斜角时就已经滚落了。特别是小的接触角度滞后和大的接触角的组合对疏水表面是有利的，因为在这种情况中不会有液滴附着在腔室的内壁上。
有利地，表面的这种超疏水特性是通过给表面涂覆疏水的微粒；通过给表面涂覆疏水的聚合层；通过电纺疏水纤维；通过引入微结构化的、疏水化的薄硅片；通过Sol-Gel（溶液-凝胶）工序和/或借助等离子体的腐蚀实现的，因为这些措施（Umsetzung）可简单地集成在一个制造工序中。
附图说明
在附图中示出了本发明的实施例，并且在接下来的说明书中对这些实施例进行更加详细的说明。附图示出：
图1是根据本发明的微流体装置的腔室；
图2是根据本发明的微流体装置的第一实施例；
图3是根据本发明的微流体装置的第二实施例；
图4是根据本发明的装置的第三实施例；
图5是根据本发明的装置的第四实施例。
具体实施方式
在图1中示出了根据本发明的、用于存储液体的微流体装置的腔室1。图中示出了处于运行状态中的腔室1，在这种运行状态中重力和/或离心力沿箭头方向9施加作用。根据图1，重力和/或离心力9向下施加作用。如此构造腔室1，即根据图1，腔室1在它的上侧面上具有开口4。根据图1，腔室1在它的下侧面20上设计为半球形。腔室1的内壁6具有带有超疏水表面2的第一区域22以及第二区域3，所述第二区域具有带有比超疏水表面2更小的接触角的表面。例如第二区域3的表面不是疏水的。腔室1利用其下侧面20沿重力和/或离心力9的方向对准，所述下侧面具有设计为半球形的内壁。在腔室1朝重力和/或离心力9的方向的对准可以理解为腔室1的这样一种对准，其中腔室1的纵向19与合成的重力和/或离心力9的矢量形成小于45度的夹角。
在图1中示出了第一液体量7和第二液体量8。重力和/或离心力9对这两个液体量7和8施加作用。液体量7、例如是一个容积小于100μl的液滴，位于腔室1的具有疏水表面2的第一区域22的内壁6上。第一液体量7离腔室1的设计成半球形的下侧面20比较远，从而第一液体量7沿重力和/或离心力9的方向的运动不会受到腔室1的内壁6的阻拦。
因此根据图1，第一液体7由于起作用的重力或者离心力9在内壁6上沿着腔室1的设计成半球形的下侧面20的方向向下移动。通过细箭头17表示第一液体量7的运动方向。因为腔室1的超疏水的表面2减小了作用到第一液体7的表面力，所以重力和/或离心力9以体积力的形式对第一液体量7施加作用。因此第一液体量7不会附着在腔室1的内壁6上。第二液体量8位于腔室1的内部，并且位于下侧面20的设计成半球形的内壁6的中间。第二液体量8表示这样一个区域，即在这个区域中，液体由于在腔室中对液体起作用的重力和/或离心力9汇集在其中。因此，在这种运行状态中，由于疏水表面2以及由于起作用的重力和/或离心9，液体汇集在设计成半球形的腔室底部。
图2示出了根据本发明的微流体装置5中的根据本发明的腔室1。微流体装置5具有腔室1、第一结构化的层10、第二层11、进入通道12、排出通道15、以及在必要时具有盖板（未示出）。进入通道12通过第一穿孔13与腔室1的内部连接。排出通道15通过第二穿孔14与腔室1的内部连接。进入通道12和排出通道15它们两个通过两个穿孔13、14通入到腔室1的内壁6的入口21的设计成半球形的区域中。与图1相对应地，又在考虑沿箭头9的方向起作用的重力和/或离心力的情况下布置具有纵向轴线19的腔室1。第二层11如此布置在第一层10上，从而使得在第一层10中的结构在该结构的朝向第二层11的侧面上是封闭的，设置所述结构用于形成进入通道12和排出通道15。通过这一措施在第一层10和第二层11之间形成进入通道12和排出通道15。
现在，液体通过进入通道12和第一穿孔13可以被泵入腔室1中。在重力和/或离心力9的影响下，液体汇集在腔室1的内部中的设计成半球形的区域21中。内壁6的入口21的设计成半球形的区域形成腔室底部。现在，在腔室底部汇集的液体通过在腔室1中的过压和/或通过在排出通道15中的负压通过第二穿孔14运动到排出通道15中。通过腔室1的超疏水表面2可将腔室全部抽空，并且通过在腔室1中的残留避免了液体的损失。同样通过腔室1的疏水表面2实现了，在抽空之后腔室1是干燥的并且避免了腔室1的污染。
按照图2的尺寸，微流体腔室1的直径d例如为1mm到20mm、例如5mm；腔室1的高度h例如为5mm到100mm、例如10mm；第一层10的高度t例如为500μm到5mm、例如1mm；并且通道11、15、13、14的通道直径例如50μm到2000μm、例如500μm。
图3示出了根据本发明的微流体装置35的第二实施方式。该微流体装置35具有第一结构化的层40、第二层41、腔室31、进入通道42和排出通道45。所述第一层40具有孔43。腔室31具有内壁36，并且所述内壁具有带有超疏水表面32的第一区域37以及第二区域33。如此连接第一层40与第二层41，从而在这两个层40、41之间形成两个通道42和45。微流体腔室31通过第一结构化的层40中的孔43并且穿过通入口48与进入通道42以及排出通道45流体接触。微流体腔室31柱形地设计为小管。如此对准该微流体装置35，从而纵向39与合成的重力和/或离心力9的矢量形成小于45度的夹角，所述纵向穿过腔室31的纵向轴线引导并且其方向矢量从腔室31指向孔43。现在当同时排出通道45封闭时，液体可以借助进入通道42通过孔43被泵入到腔室31中。当同时关闭进入通道42并且打开排出通道45时，可通过排出通道45将液体从腔室31中排出。
图4示出了根据本发明的微流体装置55的第三实施方式。微流体装置55具有腔室51、开口54、第一结构化的层60、第二层61、进入通道62、排出通道65、从进入通道62通往腔室51的第一穿孔63、从腔室51通往排出通道65的第二穿孔64，所述腔室具有带有超疏水表面52的内壁56。微流体腔室51集成到结构化的第一层60中。微流体装置55又在考虑沿箭头9的方向施加作用的重力和/或离心力的情况下，根据按照前述实施方式的腔室51的纵向59对准。排出通道65通过腔室51的下端部上的第二穿孔64引导到腔室51中。该下端部形成通入口58并且设计为半球形。从进入通道62通入到腔室51的第一穿孔63连接在腔室51的上部区域的侧面上。腔室51的内壁56全部具有超疏水的表面52。第二层61布置在第一层60上，这样就形成了通道62和65。
图5示出了根据本发明的微流体装置75的第四实施方式。微流体装置75具有腔室71、第一结构化层80、第二结构化层81、进入通道82、排出通道85、从进入通道82到腔室71的第一穿孔83、从腔室71到排出通道85的第二穿孔84、第三层86以及盖板87，所述腔室具有带有超疏水表面72的内壁76。该微流体装置75又在考虑沿箭头9的方向施加作用的重力和/或离心力的情况下，根据按照前述实施方式的腔室71的纵向对准。排出通道82通过腔室的下端部上的第二穿孔84引导到腔室71中。该下端部形成入口78，并且设计为半球形。从进入通道82通入到腔室71的穿孔83连接在腔室71的上部区域的侧面上。腔室71的内壁全部具有超疏水的表面72。如此构造第一层80，从而第一层80形成腔室71，并且形成穿孔83和84的主要部分。如此构造第二层81，从而第二层81形成进入通道82、排出通道85以及穿孔83和84的一部分。第二层81是如此布置在第一层80上，从而第一层80和第二层81的通道83和84的相应部分是流体连接的。第三层86布置在第二层81上，从而形成了通道82和85。盖板87如此布置在第一层80上，从而盖板87在腔室71的上侧面上封闭腔室。
现在，液体可通过进入通道82和第一穿孔83被泵入到腔室71中。替代地，液体已经能够在制造微流体装置75期间在打开盖板87之前就被吸入到或者分配到腔室71中。这种做法具有如下优点，即可以简单地预存储液体。在重力和/或离心力9的影响之下，液体汇集在腔室71内部中的设计半球形的区域中。现在汇集在腔室底部上的液体通过为进入通道82设置气动过压和/或通过在排出通道85中的负压通过第二穿孔84运动到排出通道85中。
在根据本发明的其它实施方式中，腔室1、31、51的纵向19、39、59与合成的重力和/或离心力9的矢量之间的角度小于5度。
通过根据本发明的装置5、35、51，例如在重力9的影响之下并且汇集在腔室1、31、51中液体能够可靠地与气泡分开。所述气泡可以通过腔室的、背离重力方向打开的腔室侧逸出。
在根据本发明的另一种实施方式中，腔室内侧面的表面在排出通道的入口的周围具有例如0.1mm到1mm亲水区域，以保证液体浸湿排出通道。
第一层10、40、60和/或第二层11、41、61例如由聚合物制成，例如由热塑性聚合物，例如聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚丙烯、或者循环的烯烃共聚物（Olefin-Copolymer）制成。
在另一种实施方式中，腔室的内壁的区域漏斗形地设计在腔室的下侧面上。
在另一种实施方式中，根据本发明的微流体装置具有腔室，所述腔室在其内壁上具有疏水表面以及开口。然后液体例如手动地通过该开口吸入到或者自动地分配到腔室中。按照这种方式用户可将试样从外部引入到微流体装置的腔室中。紧接着，在必要时用户可利用贴膜或者盖板封闭这个开口。
在另一种实施方式中，仅仅在微流体装置投入运行前不久，例如通过夹紧、插入、夹上（Aufclipsen）或者贴粘才产生腔室和层复合结构之间的连接。
在另一种实施方式中在第二层中设置通道。
例如通过下述措施可制造根据本发明的微流体装置，即微流体腔室、第一和/或第二层通过压铸、热冲压、吹塑（Blasformen）和/或铣削实现。腔室和层的连接例如可通过粘接、层压成型和/或焊接，特别是溶剂焊接、超声波焊接或者激光束焊接（Laserdurchstrahlschweißen）实现。
制造用于根据本发明的微流体装置的腔室的内壁的超疏水表面，这例如可通过下述措施来实现：通过涂覆疏水化的颗粒（小珠（Bead））；通过由聚四氟乙烯制造腔室；通过借助等离子体、表面的起毛以及疏水化腐蚀表面；通过涂覆疏水聚合物的薄层；通过电纺（Electrospinning）疏水纤维；通过将微结构化的疏水化的薄硅片（Siliziumplättchen）引入到腔室的内壁中和/或通过Sol-Gel（溶液-凝胶）工序。
在另一种实施方式中，微流体装置还可以包括另一些微流体的、电的或者光学的部件，例如像泵、混合器、其它的腔室或者说储存器（Reservoir）、生物传感器（Biosensor）和/或棱镜。
Claims (9)
1. 微流体装置（5、35、55、75），其具有用于存储液体的腔室（1、31、51、71），其特征在于，所述腔室（1、31、51、71）在内壁（6、36、56、76）上至少部分地具有疏水的或者超疏水的表面（2、32、52、72）。
2. 按照权利要求1所述的微流体装置（5、53、55、75），其特征在于，在运行状态中如此定位所述腔室（1、31、51、71），从而通入到所述腔室（1、31、51、75）中的通道（12、15、42、45、65、85）的至少一个通入口（21、48、58、78）沿作用到液体上的重力和/或离心力的方向（9）对准。
3. 按照权利要求2所述的微流体装置（5、35、55、75），其特征在于，所述通入口（21、48、58、78）布置在漏斗形或者设计成半球形的内壁（6、36、56、76）上。
4. 按照权利要求2至3中任一项所述的微流体装置（5、35、55），其特征在于，所述微流体装置（5、35、55）具有第一层（10、40、60）和第二层（11、41、61），其中，至少一个层（10、40、60）是结构化的；并且如此地连接所述层（10、40、60、11、41、61），从而在它们之间构造所述通道（12、15、42、45、62、65）。
5. 按照前述权利要求中任一项所述的微流体装置（5、35、55），其特征在于，所述腔室（1、31、51）具有至少一个用于压力平衡、施加过压或者引入液体的开口（4、34、54）。
6. 按照前述权利要求中任一项所述的微流体装置（5、35、55、75），其特征在于，所述超疏水表面（2、32、52、72）具有最高10度的接触角度滞后。
7. 按照前述权利要求中任一项所述的微流体装置（5、35、55、75），其特征在于，所述表面（2、32、52、72）的超疏水特性是通过给该表面（2、32、52、72）涂覆的疏水微粒；通过给表面（2、32、52、72）涂覆的疏水聚合层；通过电纺疏水纤维；通过引入微结构化的、疏水化的薄硅片；通过Sol-Gel工序和/或借助等离子体的腐蚀而产生的。
8. 充满和排空腔室（1、31、51、71）的方法，所述腔室在内壁（6、36、56、76）上至少部分地具有疏水的表面（2、32、52、72），所述方法具有下述步骤：
a）所述腔室（1、31、51、71）在重力和/或离心力（9）的场中对准；
b）通过进入通道（12、42、62、82）为所述腔室（1、31、51、71）充满液体；
c）将液体存储在所述腔室（1、31、51、71）中；并且
d）通过排出通道（15、45、65、85）排空所述腔室（1、31、51、71）。
9. 按照权利要求8所述的方法，其特征在于，在排空之前为所述腔室（1、31、51、71）充满另一种液体，并且将另外的液体与第一液体混合。
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