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Die
Erfindung ermöglicht
eine Gas- bzw. Flüssigkeitsabscheidung
aus microfluidischen Durchflusssystemen, die lageunabhängig betrieben werden
können.
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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.
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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 10010587.4 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.
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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 0 552 090 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.
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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.
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gas- oder Flüssigkeitsabscheidung,
die lageunabhängig
in einem microfluidischen Durchflusssystem betrieben wird.
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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.
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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.
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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.
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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 es sollen jedoch auch andere mögliche Anwendungen
z. B. am Tier mit umfasst sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
wird der Begriff Mikrodialysesystem für 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.
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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.
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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.
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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. 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 WO99/41606
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusätzlich beinhaltet
die Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem microfluidischen
Durchflusssystem, sodass eine lageunabhängige, Gas- oder Flüssigkeitsabscheidung
gewährleistet
wird. Ein microfluidisches Durchflusssystem beinhaltet dann 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 einer Anschlusses an die Austrittsöffnung der Vorrichtung
wird das Fluid weitergeleitet.
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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.
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Der
Sensor überwacht
in einer bevorzugten Ausführungsform
die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und ermöglicht.
folglich dem Benutzer einen Austausch dieser aus dem Durchflusssystem,
sobald die Funktion einer Gas- oder Flüssigkeitsabscheidung nicht
mehr gewährleistet
ist.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Verwendung der Vorrichtung in einem microfluidischen Durchflusssystems
ergeben sich, wie bereits beschrieben.
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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.
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1:
Vorrichtung zur Gas- oder Flüssigkeitsabscheidung
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2:
Vorrichtung zur Gas oder Flüssigkeitsabscheidung,
bei der die Eintrittsöffnung
neben der Austrittsöffnung
angeordnet ist.
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3:
Vorrichtung zur Gas oder Flüssigkeitsabscheidung,
bei der die Eintrittsöffnung
gegenüber
der Austrittsöffnung
angeordnet ist.
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4:
Herstellungsverfahren einer Vorrichtung zur Gas- oder Flüssigkeitsabscheidung
durch Prägen
geeigneter Strukturen.
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5:
Mikrofluidisches Durchflusssystem einer Mikrodialyse
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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 Höhlkörpers (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 gedachten
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.
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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.
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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 1 gezeigt,
bis in die Raummitte des Hohlkörpers
ragt. Die Ausführungsformen
der Vorrichtung in 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 1 ebenfalls bis zum Mittelpunkt (17)
des Hohlraumes (15).
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Eine
weitere Ausführungsform
wird in 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.
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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 Zulei tungen. Auch die Verwendung von mehr als zwei Öffnungen
und Zuleitungen ist gegebenenfalls sinnvoll.
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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 4 besitzen die
Kunststoffformteile beispielsweise rechteckige Formen.
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Zur
Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Gas- oder Flüssigkeitsabscheidung werden
beispielsweise die in 4 gezeigten Verfahrensschritte
gewählt.
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Ein
Kunststoffblock (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.
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5 zeigt
ein microfluidisches Durchflusssystem, das einen Hohlkörper (10)
zur Gasabscheidung verwendet. Der Höhlkörper (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 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.