CN108495713B - 包括集成电极的微流体流动池及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微流体流动池，包括在流动池内设置的电极(16、19，...)或传感器装置(39)，至少一个连接导体(15、18，...)从所述电极或传感器装置引导至从外面可接近的连接触点。按照本发明，电极(16、19，...)或传感器装置(39)设置在绝缘的支架体上，所述连接导体(15、18，...)嵌入所述支架体中，并且所述支架体在电极(16、19，...)或传感器装置(39)布置在流动池中的情况下可装入流动池中的开口(8)中。

Description

包括集成电极的微流体流动池及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种微流体流动池，其包括在该流动池内设置的电极或传感器装置，至少一个连接导体从所述电极或传感器装置引导至从外面可接近的连接触点。本发明还涉及一种用于制造这样的流动池的方法。

背景技术

众所周知，微流体流动池(芯片实验室(labs on a chip))越来越多地使用在所谓的生命科学中，例如用于分析体液、饮用水样品或其他的环境样品，优选直接在取样之后进行分析。例如也在研究食物样品或细胞的培殖、处理和分析时使用微流体流动池。

微流体流动池的使用的一个重要方面在于作为一次性产品的低成本批量生产。这导致在制造这样的流动池时只要可能就使用塑料和塑料处理方法。

为了制造微流体流动池，例如，包括朝板侧开口的空腔的大致板形的塑料件和为了形成流体通道或/和反应室而注塑而成的在一侧开口的空腔被膜片封闭。在连接注塑而成的塑料件与膜片之前，例如可以将干试剂引入空腔或通道中。用于通过接纳这样的试剂的支架体将干试剂引入流动池中的一种特别方法在WO 2015/001070 A1中说明。

在集成电极、电子导体电路或传感器时产生特别的问题，集成电极、电子导体电路或传感器的连接导体可从流动池的形成流体通道或/和反应室的区域中引导出，从而可以建立与用于流动池的运营商设备的电连接，但同时也保证流体通道的密封性。连接导体使流动池中的接纳电极或传感器的空腔的密封显著变得困难。

为了密封设置有与连接导体连接的电极或传感器的空腔，通常使用粘合剂、尤其是结合双重胶粘带的粘合剂以及软塑料、弹性体或硅酮作为密封材料。不利的是，这样的材料的化学组成经常(并且尤其是在流动池长期存放之后)与要研究的样品或存放在流动池中的试剂不相容或/和这些材料不利地影响所分析的反应的实施。这特别是涉及在软塑料中包含的软化剂。此外这样的材料、尤其是硅酮的处理在制造技术上非常耗费。

安装到流动池的一部分上的电极连接导体电路妨碍该部分与遮盖部件的连接，例如也妨碍通过激光焊接进行的连接，从而导体电路的通过连接技术为了无泄漏地封闭流动池而必须补偿的高度受限，并且用于制造电极和电子导体电路的价格便宜的丝网印刷因此在许多情况中不被考虑。但薄的导体电路是敏感的并且特别是在制造过程中总是经受形成裂纹的危险。对于胶粘带总是存在剥离危险。因此，电极或与连接导体连接的传感器在流动池中的流体密封的安装要求高的制造费用。

发明内容

本发明的任务是，在提高流动池功能安全性的同时减少包括装入的电极或传感器的流动池所需的制造费用。

按照本发明的解决该任务的流动池的特征在于，电极或传感器装置设置在绝缘的支架体上，连接导体嵌入支架体中，并且支架体在电极或传感器装置布置在流动池中的情况下可装入流动池中的开口中。

按照本发明，电极或传感器装置连同从外面可接近的连接导体通过单独的、可装入流动池中的构件产生。

尤其是，电极或传感器装置触点接通在流动池内的空腔中的流体，所述开口形成通到空腔的通道，支架体可流体密封地装入通道中，并且连接导体流体密封地嵌入支架体中。连接导体能够无问题地嵌入支架体中，而仅嵌入通道中的支架体用于进一步密封空腔。

优选地，支架体以塞子的形式构成，所述塞子包括接纳电极或传感器装置的端面和旋转对称的、尤其是锥形的密封面，所述密封面优选与通到空腔的通道形成密封的压配合。

因此，通道优选设置在刚性的、基本形状为板形的塑料注塑件中，其中，该塑料注塑件在其背离通道的板侧上具有凹部，以用于形成空腔、优选通道和室。与平坦的板面连接的膜片或另一个注塑构件用于封闭空腔。

在支架体的端面上能够无问题地例如通过丝网印刷安装多个电极并且其连接导体穿过支架体绝缘并且流体密封地向外引导。

电极可以通过涂层功能化，例如作为分子捕捉器。另一方面通过涂层，导体表面可以在期望范围中钝化。

适宜地，从外面可接近的连接触点直接形成在支架体上并且设置用于通过用于流动池的运营商设备进行触点接通。为了形成连接触点，贯穿支架体的连接导体可以在端部上扩张。

在一种特别优选的实施形式中，支架体带有向外开口的空腔地构成，例如盖形或帽形地构成。

所述连接触点可以形成在空腔的与空腔开口对置的底壁上。运营商设备的连接元件则嵌接到所述空腔中。

当然，支架体制造为注塑而成的塑料件。其可以仅由塑料件制成或构成为复合件，其中尤其是用于电极或传感器的与空腔对置的支架壁可以由与支架体的其余材料不同的材料、例如陶瓷形成。

适宜地，支架体具有用于手动操作或机器装配的区域。在这里可以尤其是涉及从旋转对称的密封面伸出的凸缘，所述凸缘在支架体帽形地构成时形成帽檐。

装入流动池中的开口中的支架体可以尤其是除了通过压配合进行的连接外还不可脱开地与流动池连接，例如通过焊接或粘接进行连接。

当然，在支架体上的焊接位置与嵌入的连接导体或/和电极或传感器装置隔开距离地形成，以便避免因焊接对这些部件造成不利影响。

附图说明

接着借助实施例和关于实施例的附图进一步解释本发明。在附图中示出：

图1按照本发明的流动池的不同视图和图示；

图2图1的流动池的剖面图；

图3至6在图1和2的流动池中使用的用于在流动池中形成电极的塞子；

图7形成电极的塞子的相对于流动池中的空腔不同的布置结构；

图8用于形成电极的塞子连同用于在流动池中定位在特定旋转位置中的设备；

图9用于连接载有电极的塞子与流动池的不同方案；

图10解释用于将电极布置在流动池中的其他方案的图示；

图11包括载有传感器的塞子的流动池；

图12包括用于产生用于电泳的电场的电极的流动池；

图13包括塞子的流动池，所述塞子具有用于电极的柔性支架壁；

图14解释按照本发明的电极支架塞的另一种应用方案的图示；以及

图15解释电极支架塞的合理制造的图示。

具体实施方式

流动池具有板形的注塑构件1，该注塑构件例如由PMMA、PC、COC、PS、PEEK、PE或PP制成。注塑构件1在板侧上与膜片2连接，尤其是粘接或焊接。在注塑构件1和膜片2之间通过在注塑构件中的凹部形成通道结构3、4、5和6，其与在注塑构件1的背离膜片2的一侧上的输入/输出端口7处于连接。通道结构3至6分别配置有朝通道结构开口的通道8，所述通道包括从注塑构件1伸出的输入接管9。塞子10、10'、10"和10"'流体密封地装入通道8中，其中，如从图2可知，塞子端面分别接近到通道结构3、4、5或6上并且对其限定。

附图标记11指(此外未示出的)运营商设备的电子接触元件，所述接触元件用于触点接通与塞子连接的导体，如进一步在下文所述。

图3在两个不同的视图(a)和(b)以及剖面图(c)中示出塞子10"'。该塞子在基本结构中是塑料注塑件，该塑料注塑件如注塑件1那样优选由PMMA、PC、COC、COP、PP或PE制成并且形成支架部件。盖形地构成有在一侧开口的空腔12的塞子10"'具有包围空腔开口的环形凸缘13。与空腔开口对置的底壁14被导电的连接导体件15和15'贯穿。在塞子10"'的内侧上，这些连接导体件分别形成用于运营商设备的连接元件11的连接触点。在塞子的外侧上，导体件15、15'分别与线性电极16或16'连接。在所示示例中长形的、彼此平行的电极16、16'在为塞子10'"设置的装配位置中与通道结构6垂直交叉。

穿过底壁14的导体件15、15'可以通过印刷、例如通过丝网印刷由金属浆料如银浆或焊料制造。长形的活性电极优选是由金属、尤其是金、铂、铬、铜或铝制成的电极。电极的厚度或高度优选处于50nm和1μm之间。为了制造这些电极，尤其是考虑薄层技术或热转移印刷。与通道结构6交叉的电极16、16'分别大约50μm宽并且例如适合用于池计数(按照库尔特计数器的原理)。

塞子10"'的锥形密封面17形成压配合。密封面17的斜率对应于鲁尔标准(6％斜率)。必要时塞子10"'经由压配合附加地与塑料注塑件1连接，例如焊接。

后者也适用于其他在基本形状和基本材料方面与塞子10'"一致的塞子10至10"。

在图4a和4b中示出在不同位置中的塞子10"与塞子10"'的区别在于，在底壁14中以环形布置结构设置多个穿过底壁14的连接导体件18。导体件18在其朝向通道结构5的一侧上分别通过长形的导体件与圆形电极19连接，其中形成这样的圆形电极19的矩形区。如图4d所示，一个钝化层用于使在底壁14上设置的导体部件中的只圆形的导体部件可以作为与流体相互作用的活性电极19发挥作用。

在图5中示出的塞子10'具有优选由上述塑料注塑而成的基体，其中，底壁14'例如由陶瓷、其他塑料或玻璃单独制造并且例如通过压入、粘入或焊入与塑料基体连接。底壁14'被在所示实施例中锥形成形的连接导体件20贯穿，所述连接导体件例如以丝网印刷法制造。锥形的导体件20与在底壁14'端侧上的活性电极21和22连接，其中，活性电极例如由银或氯化银制成。必要时其可以被印刷而成并且由不同金属制造。两个电极可以例如是用于电化学研究的测量和参考电极。

在图6中分开示出的塞子10与在先所述的构成为空心体的塞子不同而是构成为实心体，多个连接导体件23以环形布置结构嵌入所述塞子中。在塞子10的朝向通道结构3的端侧上，导体件分别与直的、彼此平行的电极24连接，在塞子的外端侧上，导体件23作为用于触点接通的加宽连接触点25通过运营商设备引出。导体件23优选由通过注塑包封在注塑过程期间集成到塞子10中的线或冲压和成形板材形成。六个平行的电极24与通道结构3交叉。直的活性电极24在所示示例中为印刷电极。电极24例如适合用于测量阻抗。

如图7所示，与在先所述的塞子10'、10"、10"'类似的塞子可以邻接流动池的不同空腔，例如按照图7a邻接比塞子的朝向其的端面宽的通道26，或按照图7c邻接比该端侧窄的通道27。在后一种情况中，塞子能够关于通道27特别精确地放置，其方式为：窄的通道形成用于塞子端面的支承肩部。尤其是可以非常精确地维持电极和通道底部之间的距离。图7b示出邻接流动池的反应室28的塞子。

由图8可知设有定位止挡部29的塞子，所述定位止挡部用于将该塞子设置在相对于流动池预设的旋转位置中。因此，流动池的注塑件1具有用于定位止挡部29的配合元件30。

图9示出用于附加地、不可脱开地固定嵌入流动池中的塞子的不同方案，其中，图9a示出借助球冠形的焊接工具31进行的超声或热焊接的方案。图9b示出塞子的环形凸缘13和注塑构件1的输入接管9之间的激光焊缝32，其中，输入接管9由如下塑料材料形成，所述塑料材料在用于激光焊接的激光波长的情况下以特别的程度吸收激光辐射。

图9c示出在塞子的朝向流动池的通道区域的一侧上的激光焊缝33，其在必要时必须在注塑基质1与膜片2连接之前制造。在足够透明的膜片2中，焊接也可以在此之后进行。

在图10a中示出的实施例中，在塞子上形成的电极与另一个与塞子隔开距离地引入通道34中的电极35组合。所述电极可以以合适的方式共同作用，例如作为彼此对置的电极，在所述电极之间流体在流动池的通道中运输，由此开启用于相互作用的不同方案。

图10b示出一种塞子，所述塞子的端面放置在端封通道结构的膜片2上，其中，在塞子本身的端面中形成通道区段36。与塞子连接的电极37和38在通道区段36中彼此对置地设置。

图11示出如下塞子的实施例，在该塞子的朝向通道的端面上设置传感器39。贯穿端壁的导体件形成用于传感器的连接导管，所述连接导管例如借助半导体技术或其他方法、例如微电子制造。

由图12得出一种塞子，其在所示示例中处于被流体填充的通道40的端部上，所述流体借助毛细电泳分析。另一个与示出的塞子对应的包括电极41的塞子处于通道40的另一个不可见的端部上。两个塞子的电极41产生几千伏特的电场，在所述电场中，流体中的分子基于其大小而不同快速地运动，从而进行“隔开”。在此部分地出现能够使流体气析的高温。所述塞子因此分别具有一个去气通道42。

图13示出构成为空心体的塞子，其包括端壁43，所述端壁不是如其余塞子那样注塑而成，而是通过包括连续导体件和功能电极的单独膜片在端侧上形成。与塞子其余部分焊接的膜片是柔性的并且通过由运行仪器产生的机械或气动激励而按照箭头44可偏转到通道区域之中。通过这样的偏转可以强化在电极和要分析或要处理的样品液体之间的相互作用。

由图14得出包括电极的塞子独立于流动池的使用。包括嵌入的连接导体的操作仪器45夹紧在塞子的空腔中，所述连接导体在塞子的背离操作仪器的端侧上具有包括电极的触点。电极可以例如利用抗体功能化。塞子例如浸入包含在微滴定板或另一个样品器皿46中的样品47中，其中，例如分析物积聚在塞子上。所述积聚可以通过搅拌运动辅助。此后塞子例如浸入洗涤溶液48中。最后，塞子可以运送到检测试剂49中，所述检测试剂能够实现电极的电子读取。所述塞子也可能具有磁性或电磁设备并且设置用于使磁性颗粒功能化，作为直接安装到塞子上的抗体的备选方案。在此磁性颗粒也可以放出到相应的液体中并且通过塞子的电磁激励为了进一步运输而被再次接纳。

图15示出可以怎样有效率地制造包括电极的塞子。通过注塑制造的支架体能够按照图15a入库并且例如以10至1000个构件的件数在限定的位置中保持在支架50上。

在下一步骤中(图15b)例如通过印刷方法、如丝网印刷进行穿孔触点接通。备选地可施加单独的由硅、玻璃、陶瓷或塑料制成的端壁。

在第三步骤中按照图15c进行功能电极的形成，例如通过印刷过程、如丝网印刷或通过薄层工艺或通过激光过程形成。

在第四步骤中(图15d)以大的件数入库的塞子可以得到表面功能化，例如通过抗体或干试剂或功能化的颗粒被功能化。这可以通过移液和随后的干燥实现。备选地可以通过印刷或薄层工艺施加钝化层。

在最后的步骤中(图15e)例如在装配之前必须进行塞子的分离以便从库中取出。

Claims (16)

1.微流体流动池，包括在该流动池内设置的电极(16、19)或传感器装置(39)，至少一个连接导体(15、18)从所述电极或传感器装置引导至从外面可接近的连接触点，

其特征在于，

所述电极或传感器装置设置在绝缘的支架体上，所述支架体具有塑料注塑件，所述连接导体(15、18)通过注塑包封集成到所述支架体中，并且所述支架体在所述电极或传感器装置布置在该流动池中的情况下装入该流动池的板形的注塑构件中的开口中，所述连接触点形成在所述支架体上并且设置用于通过用于该流动池的运营商设备进行触点接通；

所述电极(16、19)或传感器装置(39)触点接通在该流动池内的空腔(3-6)中的流体，所述开口形成通到所述空腔的通道(8)，所述支架体能够流体密封地装入所述通道中，并且所述连接导体流体密封地嵌入所述支架体中。

2.按照权利要求1所述的流动池，

其特征在于，

所述支架体以塞子(10、10'、10"、10"')的形式构成，所述塞子包括端面和旋转对称的密封面(17)。

3.按照权利要求2所述的流动池，

其特征在于，

所述密封面(17)是锥形的。

4.按照权利要求2所述的流动池，

其特征在于，

所述密封面与通道(8)形成压配合。

5.按照权利要求1至4中任一项所述的流动池，

其特征在于，

所述电极(16、19)或传感器装置(39)设置在所述支架体的端面上。

6.按照权利要求1至4中任一项所述的流动池，

其特征在于，所述支架体构成为空心体，所述空心体包括关于该流动池向外开口的空腔(12)。

7.按照权利要求6所述的流动池，

其特征在于，

所述连接触点形成在所述空心体的空腔的与空腔开口对置的底壁(14)上。

8.按照权利要求1至4中任一项所述的流动池，

其特征在于，

所述支架体具有用于手动操作或机器装配的区域。

9.按照权利要求2所述的流动池，

其特征在于，

所述支架体具有用于手动操作或机器装配的区域，并且所述区域涉及从旋转对称的密封面伸出的凸缘(13)。

10.按照权利要求1至4中任一项所述的流动池，

其特征在于，

装入所述开口中的支架体不可脱开地与该流动池连接。

11.按照权利要求10所述的流动池，

其特征在于，

装入所述开口中的支架体不可脱开地与该流动池通过焊接或粘接连接。

12.按照权利要求10所述的流动池，

其特征在于，

在所述支架体上的焊接位置与已嵌入的连接导体或/和所述电极或传感器装置隔开距离地形成。

13.按照权利要求1至4中任一项所述的流动池，

其特征在于，

所述电极被功能化。

14.按照权利要求1至4中任一项所述的流动池，

其特征在于，

所述电极部分地通过涂层钝化，和/或与所述电极连接的连接导体(15、18)通过涂层钝化。

15.塞子，包括使用在按照权利要求1至14之一所述的流动池中的电极(16、19)或传感器装置(39)，其特征在于，所述电极(16、19)或传感器装置(39)设置在通过塑料注塑制成的支架体上，并且该支架体在所述电极或传感器装置布置在所述空腔中的情况下流体密封地装入到所述流动池的从所述空腔向外引导的通道(8)中。

16.用于形成电极(16、19)的方法，所述电极触点接通在流动池的空腔(3-6)中的流体，

其特征在于，

所述电极(16、19)设置在通过塑料注塑制成的支架体上，至少一个连接导体(15、18)从所述电极引导至从外面可接近的连接触点并且所述连接导体(15、18)通过注塑包封集成到所述支架体中，并且该支架体在所述电极布置在所述空腔中的情况下流体密封地装入到所述流动池的通过塑料注塑制成的板件中的从所述空腔向外引导的通道(8)中，并且所述连接触点形成在所述支架体上并且设置用于通过用于该流动池的运营商设备进行触点接通。

Images