DE10140565A1 - Vorrichtung zur Gas- oder Flüssigkeitsabscheidung aus microfluidischen Durchflusssystemen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beinhaltet eine Vorrichtung, die zur Gas- bzw. Flüssigkeitsabscheidung aus mikrofluidischen Durchflusssystemen verwendet wird. Die Gas- bzw. Flüssigkeitsabscheidung erfolgt unabhängig von der räumlichen Lage der Vorrichtung. Weiterhin liegt der Erfindung ein mikrofluidisches Durchflusssystem zugrunde, in dem eine erfindungsgemäße Vorrichtung einen blasenfreien Fluidtransport ermöglicht.

Description

• Die Erfindung ermöglicht eine Gas- bzw. Flüssigkeitsabscheidung aus microfluidischen Durchflusssystemen, die lageunabhängig betrieben werden können.
• Der Anwendungsbereich microfluidischer Durchflusssysteme ist vielfältig und liegt unter anderem in der Analysetechnik zur medizinischen Diagnostik. In einigen Bereichen der Medizin, insbesondere in dem Bereich des Diabetesmonitoring, ist es von großem Vorteil, eine kontinuierliche oder zumindest quasi kontinuierliche Überwachung des Glucosespiegels durchzuführen. Hierdurch 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 der Blutglucosekonzentration zu ermöglichen. 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 Körperflüssigkeit entnommen werden muss, was den Anwendungsbereich im Regelfall auf Einzelmessungen beschränkt.
• Für eine kontinuierliche Überwachung des Glucosegehaltes muss der Patient das Analysesystem am Körper mit sich führen, so dass eine Verkleinerung des Analysesystems dringend notwendig ist. Beispielhaft stellt die Mikrodialysetechnik heutzutage ein verlässliches Verfahren dar, um Analytkonzentration in vivo 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. Bei der Mikrodialyse wird eine Perfusionsflüssigkeit durch einen Katheter geleitet und es erfolgt eine Analytbestimmung in dem aus dem Katheter austretenden Dialysat, welches im Katheter Analyt (Glucose) aus dem Körper aufgenommen hat. Im Stand der Technik sind eine Reihe von Mikrodialysesonden bekannt, für die an dieser Stelle stellvertretend lediglich auf die in der deutschen Patentanmeldung Aktenzeichen 100 10 587.4 beschriebene Anordnung verwiesen wird. Bei der Mikrodialyse ergeben sich zahlreiche Erfordernisse im Bereich des Fluidhandlings. Für eine exaktes Analysenergebnis muss die Flüssigkeit innerhalb der Mikrodialyse blasenfrei vorliegen, da nur so ein reproduzierbarer Flüssigkeitstransport gewährleistet werden kann, der eine exakte Analytbestimmung ermöglicht.
• Im Stand der Technik sind mehrere Möglichkeiten zur Gasabscheidung aus Flüssigkeiten offenbart. Diese Vorrichtungen sind jedoch für die Anwendungen im microfluidischen Bereich nicht geeignet. Desweiteren können die meisten Systeme nicht lageunabhängig betrieben werden. Der Zweck von Mikrosystemen ist es jedoch z. B., ein transportables Analysesystem bereitzustellen, das eine permanente in vivo Überwachung zulässt. Dies erfordert jedoch ebenfalls, dass das transportable System lageunabhängig betrieben werden kann. Im Stand der Technik offenbart das Patent EP 0552090 B1 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 der Mikroanalyse 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. Dies setzt jedoch voraus, dass der Druck der Flüssigkeit höher als der Außendruck ist. Ein weiterer Nachteil, der sich im Besonderen bei einer Miniaturisierung ergibt, besteht in der Verwendung einer Membran, die die Konstruktion eines Mikrodevices aufwendig und im Hinblick auf ein disposibles Mikrodevice teuer gestaltet.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fluid von etwaigen Blasen zu befreien und es durch ein microfluidisches System zu leiten. Eine Veränderung der Betriebsbedingungen, wie z. B. die Lage des microfluidischen Durchflusssystems, darf dabei die Gas- oder Flüssigkeitsabscheidung nicht beeinträchtigen.
• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gas- oder Flüssigkeitsabscheidung, die lageunabhängig in einem microfluidischen Durchflusssystem betrieben wird.
• Die Erfindung beinhaltet eine Vorrichtung mit einem Hohlkörper, der an ein microfluidisches System angeschlossen werden kann, so dass eine zu transportierende Flüssigkeit durch den Körper hindurchgeleitet wird. Der Hohlkörper besitzt eine Ein- und Austrittsöffnung für einen Zu- bzw. Abfluss von Flüssigkeiten. Die Austrittsöffnung ist mit einer Zuleitung verbunden, die in das Rauminnere des Körpers hineinragt. Die Eintrittsöffnung besitzt keine Zuleitung oder besitzt eine Zuleitung, die in der Weise in das Rauminnere des Körpers hineinragt, dass ein im Wesentlichen direkter Fluss von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung verhindert wird. Prinzipiell kann der Hohlkörper mehrere Ein- und Austrittsöffnungen besitzen, deren Eigenschaften den beschriebenen Merkmalen entsprechen.
• Die Erfindung beinhaltet weiterhin eine Vorrichtung zur Flüssigkeitsabscheidung aus microfluidischen Durchflusssystemen, die lageunabhängig betrieben werden kann. Die Vorrichtung beinhaltet einen Hohlkörper, der an ein microfluidisches System angeschlossen werden kann, so dass ein zu transportierendes Gas durch den Hohlkörper hindurchgeleitet wird. Der Hohlkörper verfügt über eine Ein- und Austrittsöffnung für einen Zu- bzw. Abfluss von Gasen, wobei die Austrittsöffnung mit einer Zuleitung verbunden ist, die in das Rauminnere des Körpers hineinragt, und die Eintrittsöffnung keine Zuleitung besitzt oder eine Zuleitung besitzt, die in der Weise in das Rauminnere des Körpers hineinragt, dass ein im Wesentlichen direkter Fluss von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung verhindert wird. Die Hohlkörper besitzen folglich einen im Wesentlichen analogen Aufbau und unterscheiden sich lediglich in ihrer Funktion.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Querschnitt des Hohlkörpers zur Gas- oder Flüssigkeitsabscheidung im Verhältnis zur Eintrittsöffnung oder deren Zuleitung so groß, dass beim Einleiten des Fluids in den Hohlraum eine Herabsetzung der Fließgeschwindigkeit stattfindet. Durch das Herabsetzen der Fließgeschwindigkeit steigt bei einer Vorrichtung zur Gasabscheidung der Druck innerhalb der Flüssigkeit relativ zur Umgebung an, wodurch eine Gasabscheidung aus der Flüssigkeit begünstigt wird. Desweiteren können Gasblasen aus der Flüssigkeit emporsteigen, so dass folglich eine Gasabscheidung von Gasblasen sowie von in der Flüssigkeit gelöstem Gas erfolgt. Bei einer Vorrichtung zur Flüssigkeitsabscheidung erfolgt vorzugsweise analog eine Flüssigkeitsabscheidung. Bei der Vorrichtung zur Gas- oder Flüssigkeitsabscheidung verbleibt die abgetrennte Phase im Hohlraum des Körpers, wobei die sich im Fluss befindliche Phase verdrängt wird.
• Eine Vorrichtung zur Gasabscheidung kann zur Blasenabscheidung an ein Mikrodialysesystem angeschlossen werden. Ein solches System dient zur Bestimmung der Konzentration mindestens 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 "Flüssigkeit" kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung sämtliche möglichen Körperflüssigkeiten wie insbesondere interstitielle Flüssigkeit, Blut und Hirnflüssigkeit umfassen. Das System ist in erster Linie zur in-vivo Diagnostik beim Menschen konzipiert ist, es sollen jedoch auch andere mögliche Anwendungen z. B. am Tier mit umfasst sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Begriff Mikrodialysesystem für eine Ausführungsformen verwendet, bei denen über eine Membran ein Stoffaustausch zwischen dem Außenraum und einer Perfusionsflüssigkeit stattfindet. Mikrodialysesysteme, 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 durch die Membran eine Filtration der das System umgebenden Körperflüssigkeit erzielt. Die Membran 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 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.
• Wird Perfusionsflüssigkeit durch eine Mikrodialysesonde hindurchgeführt, während sich der Austauschbereich in Kontakt mit einer Körperflüssigkeit befindet, so nimmt die Perfusionsflüssigkeit Substanzen aus der Körperflüssigkeit auf. Diese angereicherte Perfusionsflüssigkeit, das Dialysat, wird dann zu einer Analyseeinheit weitergeleitet, die z. B. die Glucosekonzentration im Dialysat vermisst.
• 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. Hierbei ist ein wesentlicher Aspekt für eine exakte Detektion der Analytkonzentration ein blasenfreier Transport der Flüssigkeit, so dass kein Gas an den Elektroden vorliegt, was zu undefinierten Zuständen führen würde.
• 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 Perfüsionsflüssigkeit 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. Letzere 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. Entsprechende Systeme, sind beispielsweise im Bereich der "implanted delivery devices" gebräuchlich. Exemplarisch sei an dieser Stelle jedoch auf das Dokument WO 99/41606 aus dem Bereich der Mikrodialyse, verwiesen. Bei der Mikrodialyse können beispielsweise Kanäle mit einem Durchmesser im Bereich von 10-1000 µm eingesetzt werden. Bei Kanallängen im Bereich einiger Zentimeter ergibt sich, dass zur Erzielung linearer Flussraten von etwa 1 cm/min Drücke im Bereich weniger Millibar hinreichend sind. Weiterhin weisen solche Systeme eine mit dem Sensor verbundene Auswerteeinheit auf, die zur Umwandlung von Sensorsignalen in Konzentrationswerte des Analyten dienen.
• Eine Vorrichtung zur Flüssigkeitsabscheidung erweist sich beispielsweise bei CO₂- Analysesystemen als notwendig, die zur Analyse von Atemluft eingesetzt werden. Besonders in diesem Anwendungsgebiet zeigt sich, dass es häufig zu Messwertfehlern kommt, die durch Flüssigkeitstropfen im Gasanalysegerät verursacht werden. Diese entstehen, in dem das z. B. von Menschen ausgeatmete Gas im Analysesystem eine Abkühlung von der Körpertemperatur erfährt. Bei Kontakt mit dem Analysesystem findet ein Auskondensieren des in der Atemluft enthaltenen Wassers statt. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht beispielsweise das Abscheiden von Wasser aus der Atemluft, bevor diese in das CO₂-Analysegerät geleitet wird.
• Die Erfindung beinhaltet folglich Vorrichtungen für einen blasenfreien Fluidtransport, die sich beispielsweise in den angeführten Anwendungsgebieten als notwendig erweisen. Einen wesentlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt der Aufbau des Hohlkörpers dar, der sowohl zur Gas- als auch zur Flüssigkeitsabscheidung verwendet wird. Der Hohlkörper weist in einer bevorzugten Ausführungsform eine hohe Symmetrie auf und ist in einer optimierten Ausführung kugelförmig. Dies vereinfacht den Aufbau des Körpers und verbilligt die Herstellungskosten, die besonders bei der Verwendung der Vorrichtung als disposable device von Bedeutung sind. Die Zuleitung der Austrittsöffnung des Hohlkörpers ragt bevorzugt bis in die Raummitte des Körpers, sowie bei einer bevorzugten Ausführungsform die Eintrittsöffnung keine Zuleitung in das Rauminnere besitzt sondern in der Wand des Hohlraumes endet. Durch diese Anordnung kann eine Bildung der Blase der abgeschiedenen Phase in maximaler Größe gewährleistet werden, bevor die Blase durch die Zuleitung der Austrittsöffnung aus dem Hohlkörper entweichen kann. Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen sollte aber zumindest darauf geachtet werden, dass das maximale Volumen der Blase im Verhältnis zum Volumen des gesamten Hohlraumes größer als 0,3 betragen kann, ohne dass das die abgetrennte Phase unabhängig von der Lage des Hohlkörpers aus diesem hinaus gelangt. In einer bevorzugten Weise sind die maximalen Volumina der Gasmenge und der Flüssigkeit im Hohlraum des Körpers so klein, dass bei Erschütterungen des Körpers aufgrund von Kapillar- und Adhäsionskräften kein Durchmischen der Phasen erfolgt, so dass keine Beeinträchtigung der Gas- bzw. Flüssigkeitsabscheidung resultiert.
• Im Rahmen der Erfindung sind mehrere Möglichkeiten denkbar, die Austrittsöffnung im Verhältnis zur Eintrittöffnung anzuordnen. Eine Möglichkeit ist es, dass die Austrittsöffnung im Verhältnis zur Eintrittsöffnung so angeordnet ist, dass eine gedachte Verbindung zwischen der Eintrittsöffnung, der Austrittsöffnung und dem Raummittelpunkt des Körpers ein rechtwinkliges Dreieck bildet und deren Zuleitung oder Zuleitungen auf den Schenkeln des gedachten Dreiecks angeordnet sind. Weiterhin kann die Austrittsöffnung neben der Eintrittsöffnung liegen, bzw. von dieser umgeben werden, oder gegenüber der Eintrittsöffnung angeordnet sein und eine Abschirmung besitzen, die einen direkten Fluss von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung verhindert.
• Bei einer besonders günstigen Herstellungsweise der Vorrichtung wird der Körper aus mehreren Schichten zusammengesetzt, die unterschiedliche Gestaltungen besitzen, so dass beim Zusammenfügen der Schichten Hohlräume entstehen. In einer bevorzugten Weise sind die Schichten so gestaltet, dass sie Vertiefungen oder Ausnehmungen besitzen, die beim Zusammensetzen Kanäle bilden. So können sowohl Fertigung als auch Miniaturisierung vereinfacht werden. Die Gestaltung und das Zusammenfügen der Schichten kann beispielsweise mit Folien unterschiedlicher Dicke verwirklicht werden. Die Folien können z. B. durch Schneideplotten oder Stanzen in die gewünschte Form gebracht werden. Dabei werden Ein- und Austrittsöffnungen sowie deren Zuleitungen berücksichtigt. Die Folien werden so miteinander verbunden, dass ein Hohlraum der gewünschten Form im Körper entsteht mit den Eigenschaften des erfindungsgemäßen Hohlkörpers zur Gas- oder Flüssigkeitsabscheidung.
• Zur Herstellung der Vorrichtung kann beispielsweise auch Silizium verwendet werden. Die Strukturierung der Schichten erfolgt nach den bekannten Verfahren der Mikrobearbeitung von Silizium. Hierbei werden die Schichten z. B. mit Photolithographie und nachfolgenden Ätzen in die geeignete Form gebracht. Unter Herstellungs- und Kostengesichtspunkten ist jedoch eine Fertigung der Körper aus Kunststoffen, Metallen oder Keramiken bevorzugt. Insbesondere kann der bzw. die Körper auf einfache und kostengünstige Weise aus Polymeren im Spritzgussverfahren hergestellt werden, wobei z. B. Vertiefungen direkt im Spritzgussverfahren eingebracht werden können. Es ist jedoch auch möglich, einen Kunststoffkörper durch Prägetechniken und dergleichen nachträglich zu bearbeiten. Kunststoffe, die zu diesem Zweck eingesetzt werden können, sind zum Beispiel Polymethylmethacrylat und Polycarbonat.
• Wird die Vorrichtung im Bereich der Mikrodialyse verwendet, sollte bei der Auswahl eines Materials, das zur Herstellung der System verwendet wird, jedoch 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.
• Vor der Inbetriebnahme der Vorrichtung zur Gasabscheidung erweist es sich als günstig, diese mit Flüssigkeit zu befüllen, um einen Einschluss von Umgebungsluft im Device bei der Inbetriebnahme zu vermeiden. Beim Befüllen des Körpers mit Flüssigkeit vor der Inbetriebnahme sollte ebenfalls ein Einschluss der Umgebungsluft vermieden werden. Gasblasen, die bereits vor der Inbetriebnahme im Hohlkörper vorhanden sind, verringern die Kapazität des Körpers, Gas aus der Flüssigkeit aufzunehmen. Entsprechend wird in einer bevorzugten Ausführungsform vor der Inbetriebnahme der Vorrichtung zur Flüssigkeitsabscheidung, diese zuvor mit Gas befüllt.
• Zusätzlich beinhaltet die Erfindung ein microfluidisches Durchflusssystem, das eine lageunabhängie Gas- oder Flüssigkeitsabscheidung gewährleistet. Das microfluidische Durchflusssystem beinhaltet eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gas- oder Flüssigkeitsabscheidung gemäß des Anspruches 1 oder 2 und ein Stoffleitsystem, das mittels eines Anschlusses an der Eintrittsöffnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Fluid in den Hohlkörper durch die Eintrittsöffnung einleitet. Das Fluid wird durch die Zuleitung der Austrittsöffnung, die in das Rauminnere des Hohlkörpers hineinragt und durch die Austrittsöffnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus dem Hohlkörper geleitet. Mittels eines Anschlusses an die Austrittsöffnung der Vorrichtung wird das Fluid weitergeleitet.
• Die Vorrichtung sollte rechtzeitig aus einem microfluidischen Durchflusssystem entfernt werden, bevor die abgeschiedene Phase die Zuleitung der Austrittsöffnung erreicht und aus dem Hohlkörper entweichen kann. Dies kann dadurch gewährleistet werden, dass z. B. das Volumen der abgeschiedenen Phase bei einer gegebenen Durchflussrate oder bei einem gegebenen Fluidvolumen berechnet bzw. abgeschätzt wird und somit nach einem bestimmten Durchfluss oder einer definierten Zeit ein Austausch der Vorrichtung empfohlen wird. Es ist jedoch auch beispielhaft ein Sensor im microfluidischen Durchflusssystem denkbar, der ein Signal sendet, sobald das Fluid nach durchströmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung Blasen aufweist. Ein solcher Sensor ist sowohl innerhalb der Fluidleitung stromabwärts bezüglich der erfindungsgemäßen Vorrichtung denkbar oder z. B. in der Mikrodialysesonde.
• Der Sensor überwacht in einer bevorzugten Ausführungsform die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung und ermöglicht folglich dem Benutzer ein Austausch dieser aus dem Durchflusssystem, sobald die Funktion einer Gas- oder Flüssigkeitsabscheidung nicht mehr gewährleistet ist.
• Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung des microfluidischen Durchflusssystems ergeben sich, wie bereits beschrieben.
• In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet das microfluidische Durchflusssystem zur Gasabscheidung weiterhin eine Pumpe mittels der die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit gesteuert wird, so dass die zu analysierende Flüssigkeitsmenge bestimmt werden kann. Das System wird vorzugsweise bei Normaldruck betrieben und ist bevorzugt unabhängig vom Druck der Umgebung. Ein Durchflusssystem zur Gasabscheidung im Sinne der Erfindung beinhaltet in einer bevorzugten Ausführungsform neben der Vorrichtung mit einem Hohlkörper eine Mikrodialysesonde und ein Flüssigkeitsreservoir, wie es z. B. bereits beschrieben wurde. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung stromaufwärts bezüglich der Mikrodialysesonde im Durchflusssystem positioniert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gas- oder Flüssigkeitsabscheidung ist bevorzugter Weise im Durchflusssystem eine disposible Einheit, die, wie bereits beschrieben, im System ausgetauscht wird, bevor die abgetrennte Phase mit der Zuleitung der Austrittsöffnung im Rauminneren in Kontakt kommt.
• Fig. 1 Vorrichtung zur Gas oder Flüssigkeitsabscheidung
• Fig. 2 Vorrichtung zur Gas oder Flüssigkeitsabscheidung, bei der die Eintrittsöffnung neben der Austrittsöffnung angeordnet ist.
• Fig. 3 Vorrichtung zur Gas oder Flüssigkeitsabscheidung, bei der die Eintrittsöffnung gegenüber der Austrittsöffnung angeordnet ist.
• Fig. 4 Herstellungsverfahren einer Vorrichtung zur Gas- oder Flüssigkeitsabscheidung durch Prägen geeigneter Strukturen.
• Fig. 5 Mikrofluidisches Durchflusssystem einer Mikrodialyse
• Fig. 1 verdeutlicht eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Gas- oder Flüssigkeitsabscheidung. Der dargestellte Hohlkörper (10) ist kugelförmig und besitzt eine Eintrittsöffnung (11), durch die das Fluid hindurchgeleitet wird, sowie eine Austrittsöffnung (12), die sich durch die Wand (16) des Hohlkörpers (10) erstrecken. Ein- und Austrittsöffnung sind mit jeweils einer Zuleitung in das Rauminnere verbunden, wobei die Zuleitung (13) der Austrittsöffnung bis zum Mittelpunkt (17) des Hohlkörpers reicht. Die Zuleitung (14) der Eintrittsöffnung ragt nur geringfügig in den Hohlraum (15) des Hohlkörpers (10). Der Hohlraum (15) wird von der Wand (16) des Hohlkörpers begrenzt. Ein- (11) und Austrittsöffnung (12) bilden mit dem Mittelpunkt (17) des Hohlraumes ein gedachtes rechtwinkliges Dreieck (18), das zur Verdeutlichung eingezeichnet ist. Auf den Schenkeln des rechtwinkligen Dreiecks sind die Zuleitungen (13) und (14) angeordnet. Das Fluid fließt durch die Eintrittsöffnung in den Hohlraum (15) des Körpers. Im Hohlraum des Körpers wird die Fließgeschwindigkeit des Fluids herabgesetzt. Das eingetretene Fluid verbleibt zunächst im Hohlkörper. Während der Verweilzeit des Fluids im Hohlkörper können z. B. bei einer Gasabscheidung Gasblasen aus der Flüssigkeit emporsteigen bzw. in der Flüssigkeit gelöstes Gas freigesetzt werden.
• Das abgeschiedene Gas steigt in den oberen Bereich des Hohlkörpers empor, wo es sich in einer Gasblase (abgeschiedene Phase (20)) sammelt. Die Phasenabtrennung ist in der Figur durch Kennzeichnen der Phasengrenze (19) verdeutlicht. In Abhängigkeit von der Fließgeschwindigkeit gelangt das Fluid nach einer bestimmten Verweilzeit zu dem Einlass (21) der Zuleitung (13), durch den das Fluid aus dem Hohlkörper hinaus gelangt. Die abgeschiedene Phase (20) verbleibt im Hohlkörper, während das Fluid durch die Austrittsöffnung (12) weitergeleitet wird. Dies setzt voraus, dass das Volumen der abgetrennten Phase (20) so klein ist, dass es unabhängig von der Lage des Hohlkörpers (10) nicht mit dem Einlass (21) der Zuleitung (13) in Kontakt kommt, der sich in der Mitte (17) des Hohlraumes befindet.
• Fig. 2 zeigt einen Hohlkörper (10), bei dem die Eintrittsöffnung (111) konzentrisch zu der Austrittsöffnung (12) angeordnet ist. Die Austrittsöffnung (12) ist mit einer Zuleitung (13) verbunden, die, wie bereits in Fig. 1 gezeigt, bis in die Raummitte des Hohlkörpers ragt. Die Ausführungsformen der Vorrichtung in Fig. 1 und 2 unterscheiden sich nur durch die Anordnung der Eintrittsöffnungen 11 bzw. 111 in der Wand (16) des Hohlkörpers (10). Die Eintrittsöffnung (111) besitzt keine Zuleitung. Um ein maximales Volumen der abgeschiedenen Phase (20) zu ermöglichen, ohne dass die abgeschiedene Phase (20) mit dem Einlass (21) der Zuleitung (13) der Austrittsöffnung (12) in Kontakt kommt, ragt die Zuleitung (13) analog zu Fig. 1 ebenfalls bis zum Mittelpunkt (17) des Hohlraumes (15).
• Eine weitere Ausführungsform wird in Fig. 3 dargestellt. Hierbei ist die Eintrittsöffnung (11) des Hohlkörpers (10) gegenüber der Austrittsöffnung (12) und deren Zuleitung (13) positioniert. Damit ein direkter Fluss zwischen der Eintrittsöffnung (11) und der Zuleitung (13) der Austrittsöffnung vermieden wird, ist eine Abschirmung (200) oberhalb des Einlasses (21) der Zuleitung (13) angeordnet. Der Raum zwischen Einlass (21) der Zuleitung (13) und der Abschirmung (200) ist hinreichend groß, so dass das Fluid ungehindert durch den Einlass (21) einströmen kann bzw. das im Hohlraum (15) befindliche Fluid aus der Austrittsöffnung (12) ausströmen kann. Die Abschirmung (200) wird mittels Stegen (201) innerhalb des Hohlkörpers befestigt.
• Die gezeigten Figuren stellen beispielhaft einige Modelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar. Prinzipiell sind natürlich auch andere Formen des Hohlkörpers bzw. des Hohlraumes denkbar, sowie andere Ausführungsformen der Öffnungen und Zuleitungen. Auch die Verwendung von mehr als zwei Öffnungen und Zuleitungen ist gegebenenfalls sinnvoll.
• Fig. 4 zeigt beispielhaft einige Verfahrensschritte zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei erweist sich das Verfahren durch Prägen zweier Kunststoffformteile, die anschließend verbunden werden, als besonders geeignet, da es eine preiswerte und einfache Herstellung eines Microdevices ermöglicht. Die für das Prägen erforderlichen Formen (401, 402) sind für eine Vielzahl mikrosystemtechnischer Methoden herstellbar, sodass prinzipiell eine Vielzahl von Ausführungsformen der Kunststoffformteile denkbar sind. In Abb. 4 besitzen die Kunststoffformteile beispielsweise rechteckige Formen.
• Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gas- oder Flüssigkeitsabscheidung werden beispielsweise die in Fig. 4 gezeigten Verfahrensschritte gewählt.
• Ein Kunststoftblock (400) wird mittels der Form (401) geprägt, sodass der Kunststoffblock (400) entsprechend der Form (401) gestaltet wird. Durch den ersten Prägeschritt wird das Formteil (403) erhalten. Das Formteil (403) besitzt einen rechteckigen Hohlraum (415) und einen sich vom Rand (416) erstreckenden Steg (413). Das Formteil (403) wird anschließend in einem zweiten Prägeschritt mittels der Form (402) geformt. Durch den zweiten Prägeschritt werden Vertiefungen für eine Eintrittsöffnung (411) und eine Austrittsöffnung (412) ausgebildet, die sich durch die Wand (416) erstrecken, sowie eine Vertiefung im Steg (413), durch die die Zuleitung (413) der Austrittsöffnung (412) der fertiggestellten Vorrichtung ermöglicht wird. In einem letzten Verfahrensschritt werden zwei Formteile miteinander verbunden, sodass ein Hohlraum mit Ein- und Austrittsöffnung sowie deren Zuleitung entsteht. Beim Zusammenfügen der Formteile sind prinzipiell mehrere Kombinationen denkbar. So kann das Formteil (404) sowohl mit einem zu ihm identischen Formteil (404) kombiniert werden, als auch beispielsweise mit einem Formteil (403), das nach dem ersten Prägeschritt erhalten wird.
• Fig. 5 zeigt ein microfluidisches Durchflusssystem, das einen Hohlkörper (10) zur Gasabscheidung verwendet. Der Hohlkörper (10) ist mit einem Stoffleitsystem verbunden. Das Stoffleitsystem besitzt einen Anschluss (300), der mit der Eintrittsöffnung (11) des Hohlkörpers (10) verbunden ist. Das System beinhaltet weiterhin eine Pumpe (301). Die Pumpe (301) leitet Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsreservoir (302) mittels geeigneter Schläuche (303) zu dem Anschluss (300) der Eintrittöffnung (11). Durch die Eintrittsöffnung (11) des Hohlkörpers (10) strömt die Flüssigkeit in den Hohlraum (15), in dem eine Gasabscheidung stattfindet. Die Gasabscheidung wird in der Fig. 5 durch das Darstellen einer Phasengrenze (19) verdeutlicht. Das abgeschiedene Gas sammelt sich in der Gasblase (20). Die im Wesentlichen gasfreie Flüssigkeit wird durch die Zuleitung (13) zur Austrittsöffnung (12) geleitet, während das Gas (20) im Hohlkörper (15) zurück bleibt. Die im Wesentlichen gasfreie Flüssigkeit gelangt über den Anschluss (304) des Stoffleitsystems von der Austrittsöffnung zur Mikrodialysesonde (305). Bei dem gezeigten Beispiel ist es auch denkbar, dass die Anschlüsse (300 bzw. 304) der Ein- bzw. Austrittsöffnung direkt an das Flüssigkeitsreservoir (302) bzw. an die Mikrodialyse (305) angeschlossen sind, sodass keine zusätzlichen Schläuche (303) notwendig sind. In der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform ist der Hohlkörper (15) stromaufwärts bezüglich der Mikrodialyse (305) positioniert, damit die Flüssigkeit im Wesentlichen gasfrei zur Mikrodialyse gelangt. Mit einer definierten Flüssigkeitsmenge ist nun eine exakte Messung eines zu untersuchenden Analyten möglich. Um die Funktionalität der Gasabscheidungsvorrichtung zu gewährleisten, ist das Volumen der Gasblase (20) entscheidend. Hierbei ist darauf zu achten, dass das Volumen der Gasblase nicht in dem Maße ansteigt, dass die Gasblase mit dem Einlass (21) der Zuleitung (13) in Kontakt kommt. Bevor die Gasblase mit dem Einlass (21) in Kontakt kommt, wird der Hohlkörper (10) aus dem Durchflusssystem als disposible Einheit entfernt.

Claims (25)

1. Vorrichtung zur Gasabscheidung aus microfluidischen Durchflusssystemen, die lageunabhängig betrieben werden kann, beinhaltend
einen Hohlkörper (10), der an ein microfluidisches System angeschlossen werden kann, so dass eine zu transportierende Flüssigkeit durch den Hohlkörper hindurchgeleitet wird,
mit einer Ein- (11, 111, 411) und Austrittsöffnung (12, 412) für einen Zu- bzw. Abfluss der Flüssigkeit,
wobei die Austrittsöffnung mit einer Zuleitung (13, 413) verbunden ist, die in das Rauminnere des Hohlkörpers hineinragt, und
die Eintrittsöffnung keine Zuleitung besitzt oder eine Zuleitung (14) besitzt, die in der Weise in das Rauminnere des Hohlkörpers hineinragt, dass ein im Wesentlichen direkter Fluss von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung verhindert wird.

2. Vorrichtung zur Flüssigkeitsabscheidung aus microfluidischen Durchflusssystemen, die lageunabhängig betrieben werden kann, beinhaltend
einen Hohlkörper (10), der an ein microfluidisches System angeschlossen werden kann, so dass eine zu transportierendes Gas durch den Hohlkörper hindurchgeleitet wird, mit einer Ein- (11, 111, 411) und Austrittsöffnung (12, 412) für einen Zu- bzw. Abfluss des Gases,
wobei die Austrittsöffnung mit einer Zuleitung (13, 413) verbunden ist, die in das Rauminnere des Hohlkörpers hineinragt, und
die Eintrittsöffnung keine Zuleitung besitzt oder eine Zuleitung (14) besitzt, die in der Weise in das Rauminnere des Hohlkörpers hineinragt, dass ein im Wesentlichen direkter Fluss von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung verhindert wird.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die vor der Inbetriebnahme im Wesentlichen vollständig mit Flüssigkeit gefüllt ist.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, die vor der Inbetriebnahme im Wesentlichen vollständig mit Gas gefüllt ist.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der der Querschnitt des Hohlkörpers im Verhältnis zum Querschnitt der Eintrittsöffnung oder des Querschnitts deren Zuleitung so groß ist, dass beim Einleiten des Fluids in den Hohlraum (15, 415) eine Herabsetzung der Fließgeschwindigkeit stattfindet.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die abgetrennte Phase (20) im Hohlraum des Körpers verbleibt und die sich im Fluss befindliche Phase verdrängt.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der der Hohlraum des Hohlkörper eine hohe Symmetrie aufweist und bevorzugt kugelförmig ist.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Zuleitung der Austrittsöffnung im Wesentlichen bis in die Raummitte des Hohlraumes des Hohlkörpers ragt.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Eintrittsöffnung keine Zuleitung in das Rauminnere des Hohlkörpers besitzt.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die maximalen Volumina des Gases und der Flüssigkeit im Hohlraum des Hohlkörpers so klein sind, dass bei Erschütterungen des Hohlkörpers keine Durchmischung der Phasen erfolgt.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Austrittsöffnung im Verhältnis zur Eintrittsöffnung so angeordnet ist, dass eine gedachte Verbindung zwischen der Eintrittsöffnung, der Austrittsöffnung und dem Raummittelpunkt (17) des Hohlraumes des Hohlkörpers ein rechtwinkliges Dreieck (18) bildet und deren Zuleitung oder Zuleitungen auf den Schenkeln des gedachten Dreiecks angeordnet sind.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Austrittsöffnung neben der Eintrittsöffnung ist, bzw. von dieser umgeben wird.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Austrittsöffnung gegenüber der Eintrittsöffnung angeordnet ist und eine Abschirmung (200) einen direkten Fluss von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung verhindert.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Hohlkörper aus mehreren Schichten hergestellt wird, die unterschiedliche Gestaltungen besitzen, so dass beim Zusammenfügen der Schichten der Hohlkörper gebildet wird.

15. Microfluidisches Durchflusssystem, in dem eine Gasabscheidung lageunabhängig erfolgt, beinhaltend,
einen Hohlkörper (10) durch den eine zu transportierende Flüssigkeit hindurchgeleitet wird,
eine Ein- (11, 111, 411) und Austrittsöffnung (12, 412) am Hohlkörper für einen Zu- bzw. Abfluss der Flüssigkeit,
wobei die Austrittsöffnung mit einer Zuleitung (13, 413) verbunden ist, die in das Rauminnere des Hohlkörpers hineinragt und
die Eintrittsöffnung keine Zuleitung besitzt oder eine Zuleitung (14) besitzt, die in der Weise in das Rauminnere des Hohlkörpers hineinragt, dass ein im Wesentlichen ein direkter Fluss von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung verhindert wird, sowie
ein Stoffleitsystem, beinhaltend
einen Anschluss (300) an die Eintrittsöffnung des Hohlkörpers zum Einleiten der Flüssigkeit in den Hohlraum (15, 415) des Hohlkörpers und
einen Anschluss (304) an die Austrittsöffnung des Hohlkörpers zum Weiterleiten der Flüssigkeit, wobei abgetrenntes Gas im Hohlraum des Hohlkörpers verbleibt.

16. Microfluidisches Durchflusssystem, in dem eine Flüssigkeitsabscheidung lageunabhängig erfolgt, beinhaltend
einen Hohlkörper (10) durch den ein zu transportierendes Gas hindurchgeleitet wird,
eine Ein- (11, 111, 411) und Austrittsöffnung (12, 412) am Hohlkörper für einen Zu- bzw. Abfluss des Gases,
wobei die Austrittsöffnung mit einer Zuleitung (13, 413) verbunden ist, die in das Rauminnere des Hohlkörpers hineinragt und
die Eintrittsöffnung keine Zuleitung besitzt oder eine Zuleitung (14) besitzt, die in der Weise in das Rauminnere des Hohlkörpers hineinragt, dass ein im Wesentlichen direkter Fluss von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung verhindert wird,
ein Stoffleitsystem, beinhaltend
einen Anschluss (300) an die Eintrittsöffnung des Hohlkörpers zum Einleiten des Gases in den Hohlraum (15) des Hohlkörpers und
einen Anschluss (304) an die Austrittsöffnung des Hohlkörpers zum Weiterleiten des Gases, wobei die zuvor abgetrennte Flüssigkeit im Hohlraum des Körpers verbleibt.

17. Microfluidisches Durchflusssystem gemäß Anspruch 15 oder 16, bei dem der Querschnitt des Hohlraumes im Verhältnis zur Eintrittsöffnung oder dessen Zuleitung in das Rauminnere so groß ist, dass die Fließgeschwindigkeit im Hohlraum des Hohlkörpers herabgesetzt wird.

18. Microfluidisches Durchflusssystem gemäß Anspruch 15, bei dem die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit mittels einer Pumpe (301) gesteuert wird.

19. Microfluidisches Durchflusssystem gemäß Anspruch 15, das unabhängig vom Druck der Umgebung und vorzugsweise bei Normaldruck betrieben wird.

20. Microfluidisches Durchflusssystem gemäß Anspruch 15, das eine Mikrodialysesonde (305) beinhaltet.

21. Microfluidisches Durchflusssystem gemäß Anspruch 15, das ein Flüssigkeitsreservoir (302) beinhaltet.

22. Microfluidisches Durchflusssystem gemäß Anspruch 15 oder 16, bei dem der Hohlkörper eine disposible Einheit ist, die im System ausgetauscht wird, bevor die abgetrennte Phase durch die Zuleitung der Austrittsöffnung aus dem Hohlkörper entweichen kann.

23. Microfluidisches Durchflusssystem gemäß Anspruch 15, das an einem Mikrodialysesystem angeschlossen ist.

24. Microfluidisches Durchflusssystem gemäß Anspruch 23, bei dem der Hohlkörper stromaufwärts bezüglich der Mikrodialysesonde im microfluidischen Durchflusssystem angeordnet ist.

25. Microfluidisches Durchflusssystem gemäß Anspruch 15 oder 16 das einen Sensor beinhaltet.