DE10156747A1 - Verfahren und Vorrichtung zum selektiven Ausführen von Mikrofluidschaltungen mit elektrisch adressierbaren Gaserzeugern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Mikrofluidsystem (30) zum Leiten von Versuchsmaterialien (38) zu einem nächsten Verarbeitungsbereich (34 und 36). Das Mikrofluidsystem (30) umfaßt ein Substrat (31) mit wenigstens einem eingebetteten Gaserzeuger (42 und 44), der als Reaktion auf das Ergebnis einer anfänglichen Verarbeitung aktiviert wird, wodurch ein Gas mit einem Druck erzeugt wird, um die Versuchsmaterialien (38) zu dem nächsten Verarbeitungsbereich (34 und 36) zu leiten. Der Gaserzeuger (42 und 44) umfaßt Widerstände, die elektrisch aktiviert werden. Wenn ein Strom durch die Widerstände fließt, wird Wärmeenergie abgegeben, um ein ausgewähltes Material von einem festen oder einem flüssigen Zustand in einen gasförmigen Zustand zu zersetzen. Bei einer alternativen Ausführungsform wird der Gaserzeuger (42 und 44) als Reaktion auf eine äußere Steuerung (54 und 56) aktiviert.

Description

Die Erfindung betrifft mikrobearbeitete Vorrichtungen, insbesondere Mikroströmungs- bzw. Mikrofluidvorrichtungen für die chemische und die biologische Analyse sowie die chemische Synthese.

Die Mikroströmungs- bzw. Mikrofluidtechnologie kann genutzt werden, um Systeme zu schaffen, die die chemische und die biologische Analyse sowie die chemische Synthese im Vergleich zu bekannten Laborausrüstungen und -techniken in einem viel kleineren Maßstab ausführen. Mikroströmungs- bzw. Mikrofluidsysteme haben den Vorteil, daß eine kleinere Probe des Analyts oder des Reagens für die Analyse oder die Synthese benötigt werden und eine kleinere Menge Abfallmaterialien abgegeben wird. Weil das Testen oder das Kombinie­ ren innerhalb des Mikrofluidsystems in sich abgeschlossen bzw. unabhängig ist, können die Analyse oder die Synthese an nahezu jedem Ort innerhalb oder außerhalb des Labors ausge­ führt werden.

Die Mikrofluidsysteme können für die analytische Chemie und die Feinchemie, biologische Wissenschaften, klinisches Testen, kombinatorische Synthesen, Umwelttesten oder forensi­ sches Testen oder dergleichen genutzt werden. Mikrofluidsysteme für die Analyse, chemi­ sches und biologisches Verarbeiten und eine Probenpreparation können einige Kombinationen der folgenden Elemente umfassen: Fluidgebrauchskomponenten zum Vor- und Nachbehan­ deln, Mikrofluid-System-Schnittstellenkomponenten, elektrische und elektronische Kompo­ nenten, Umweltsteuerkomponenten und Datenanalysekomponenten. Eine populäre Nutzung von Mikrofluidsystemen findet bei der Analyse von DNA-Molekülen zum Testen von Infek­ tionskrankheiten oder genetischer Krankheiten oder zum Screening von genetischen Defekten statt. Eine andere populäre Nutzung findet im Bereich der forensischen Wissenschaften statt, wo sofortige Ergebnisse von Blutproben erhalten werden können.

Zusätzlich zu der Verkleinerung der Mikrofluidkomponenten auf die Größe eines "Chips" (das heißt eines Halbleiterchips) erlauben jüngere Fortschritte das gleichzeitige Ausführen mehrerer Aufgaben in einer Einzelkomponente. Die Fähigkeit zum gleichzeitigen Ausführen von Mehrfachaufgaben hat die Nützlichkeit von Mikrofluidvorrichtungen sehr vergrößert. Darüber hinaus wurde die Zeit vermindert, die zum Erhalt der gewünschten Ergebnisse benö­ tigt wird.

Das allgemeine Prinzip einer Mikroströmungs- bzw. Mikrofluidvorrichtung besteht darin, daß alle Elemente der Vorrichtung auf eine mikroskopische Skala verkleinert sind. Diese Ele­ mente können Flüssigkeitsvorräte, Kanäle, Testbereiche, Mischkammern usw. umfassen. Je­ des Element wird im allgemeinen im Mikro- oder Submikrobereich hergestellt. Beispielswei­ se weisen typische Kanäle oder Bereiche wenigstens eine Querschnittsabmessung im Bereich von etwa 0,1 µm bis etwa 500 µm auf.

Fig. 1 zeigt ein herkömmliches Mikrofluidsystem 10, das auf einem Substrat 12 hergestellt ist. Das Mikrofluidsubstrat ist aus einem Material, beispielsweise Polymer, Glas, Silizium oder Keramik. Polymere sind die bevorzugten Substratmaterialien, wobei Polyimid am mei­ sten bevorzugt wird. Polymermaterialien, die insbesondere geeignet sind, umfassen Materiali­ en aus den folgenden Klassen: Polyimid, PMMA, Polycarbonat, Polystyren, Polyester, Po­ lyamid, Polyether, Polyolefin und Mischungen dieser Materialien.

Das beispielhafte Mikrofluidsystem 10 ist eine ebene Vorrichtung, die einen inneren Bereich 14 mit Eingangs-/Ausgangsanschlüssen 16 und 18 und einen inneren Trennungs- bzw. Sepa­ rationskanal 20 mit Eingangs-/Ausgangsanschlüssen 22 und 24 umfaßt. Der innere Bereich 14 und der Trennungskanal 20 sind mittels gestrichelter Linien dargestellt, weil sie innerhalb des Substrat 12 des Mikrofluidsystems 10 gebildet sind. Die gestrichelten Linien sind an der Kreuzung des Kanals des Bereichs 14 mit dem Kanal des Trennungskanals 20 unterbrochen, weil die zwei Kanäle sich kreuzen. Andere Konfigurationen sind möglich und können bei­ spielsweise innere Mehrfachbereiche, zusätzliche Eingangs- und Ausgangsanschlüsse und ein Netzwerk von Kanälen umfassen, das innerhalb eines Substrats eines Mikrofluidsystems an­ geordnet ist. Der Begriff "innerer Bereich" wird hier genutzt, um einen im allgemeinen einge­ schlossenen Bereich des Mikrofluidsystems zu beschreiben, in dem insbesondere Proben- Präperationsprozesse ausgeführt werden. Solche Prozesse umfassen beispielsweise das Mi­ schen, das Markieren, das Testen, das Filtern, das Extrahieren, das Fällen, das Aufschließen, das Synthetisieren und dergleichen. Eine Bewegung des Materials innerhalb der Vorrichtung wird im allgemeinen mit Hilfe des Manipulierens einer äußeren Kraft erreicht.

In einem typischen Mikrofluidsystem werden eine Anzahl von Tests ausgeführt, wobei das Material in Abhängigkeit von den individuellen Testanforderungen entweder in serieller oder paralleler Art und Weise verarbeitet werden kann. Beim Ausführen der Tests ist es möglich, daß das Ergebnis eines früheren Tests genutzt wird, um zu bestimmen, welcher folgende Test auf das Material innerhalb desselben Mikrofluidsystems ausgeführt wird. Wenn beispielswei­ se das Ergebnis in einem Testgebiet bzw. einem Testbereich Nr. 1 positiv ist, wird das Materi­ al in den Testbereich bzw. des Testgebiet Nr. 2 gebracht, wo auf der Basis der Ergebnisse aus dem Testbereich Nr. 1 eine Folgeanalyse ausgeführt wird. Wenn das Ergebnis des Testbe­ reichs Nr. 1 negativ ist, wird das Material hingegen zu einem Testgebiet bzw. -bereich Nr. 3 gebracht. Es wird deshalb ein Verfahren zum Lenken bzw. Steuern des Materials durch ein Netzwerk von Fluidkanälen als Reaktion auf das anfängliche Testergebnis gebraucht.

Eine bekannte Technik, welche versucht, das Material zu dem entsprechenden Testbereich als eine Funktion des vorherigen Testergebnisses zu lenken, umfaßt das Vorsehen eines äußeren Anschlusses an jedem Entscheidungspunkt, so daß eine äußere Kraft genutzt werden würde, um das Material in eine von zwei oder mehreren Richtungen zu lenken. Selbst im Fall einer Kaskade von Tests mit nur einer geringen Anzahl von Entscheidungen ist die Anzahl der be­ nötigten, äußeren Anschlüsse jedoch groß. Eine große Anzahl von äußeren Fluidanschlüssen ist jedoch nachteilig, weil jeder Fluidanschluß unabhängig von anderen Anschlüssen zu dem Entscheidungspunkt geleitet werden muß.

Eine andere bekannte Technik zum Leiten des Materials umfaßt die Nutzung von Ventilen, die sich durch die Mikrofluidvorrichtung ausfahren und einfahren. Leider verlangt diese Technik das Bewegen mechanischer Teile, die fehlerempfindlich sind.

Deshalb besteht Bedarf an einem Mikrofluidsystem und einem Verfahren zum Lenken eines Materials zu seinen zugehörigen Testbereichen, ohne daß äußere Anschlüsse oder bewegte Teile genutzt werden.

Die Erfindung betrifft ein Mikrofluidsystem zum Leiten bzw. Lenken eines Analyts, eines Reagens oder dergleichen Material zu einem folgenden, interessierenden Bereich, welcher ein Testbereich, ein Meß- bzw. Nachweisbereich, ein Steuerbereich, ein Reaktionsbereich oder dergleichen sein kann. Das Mikrofluidsystem ist auf einem und innerhalb eines Substrat(s) ausgebildet, das ein Netzwerk von Kanälen und Gasgeneratoren bzw. Gaserzeuger umfaßt, die entlang des Netzwerks von Kanälen strategisch angeordnet sind. Wenn die Gasgenerato­ ren aktiviert sind, expandieren die von den Gasgeneratoren umfaßten Gasmoleküle und drük­ ken das Material entlang ausgewählter Kanäle des Netzwerks von Kanälen. Mit Hilfe des strategischen Aktivierens eines speziellen Gasgenerators kann das Material entlang eines ge­ wünschten Kanals zu seinem zugehörigen, interessierenden Ort bzw. Zielort gelenkt werden.

Das Mikrofluidsystem kann mittels Herstellungstechniken für eine integrierte Schaltung aus­ gebildet werden, beispielsweise mittels fotolithografischer Verfahren, chemischen Naß- oder Trockenätzens oder Laser-Ablation. Alternativ können traditionelle Bearbeitungstechniken genutzt werden. Das Mikrofluidsystem kann auch mit Hilfe indirekter Mittel hergestellt wer­ den, beispielsweise mit Hilfe des Spritzgießens, des Heißprägens, des Gießens oder anderer Verfahren, die ein Gieß- oder Musterwerkzeug nutzen, um die Merkmale des Systems zu bil­ den. Das Mikrofluidsubstrat ist aus einem Material, beispielsweise Polymer, Glas, Silizium, Metall oder Keramik. Ein Polymer, wie Polyimid oder Polymethyl-Methakrylat (PMMA), wird bevorzugt.

Obwohl das Mikrofluidsystem so beschrieben wird, daß es ein Substrat umfaßt, ist dieses nicht kritisch für die Erfindung. Das Mikrofluidsystem kann auch auf einem oder innerhalb eines Körper(s), eines Gehäuses oder einer Stützstruktur oder dergleichen hergestellt werden, ohne daß der Bereich der Erfindung verlassen wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Gaserzeuger, der zum Leiten des Gases für das Manipulieren des Materials in den Kanälen genutzt wird, mikroskopische Widerstän­ de, die elektrisch aktiviert werden. Wenn ein Strom durch einen Widerstand fließt, wird elek­ trische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Jeder Widerstand ist benachbart zu einer Gasbildungskammer angeordnet. Weil die Kammer eine niedrigere Temperatur als die Wider­ stände aufweist, findet eine Übertragung von Wärme von den Widerständen auf die Kammer statt. Es existiert eine relativ große Klasse von Verbindungen, die aus einem flüssigen Zu­ stand oder einem festen Zustand in einen gasförmigen Zustand zerfallen, wenn Wärme ange­ wendet wird. Beispielsweise zerfällt Natriumazid (NaN₃) beim Anwenden von Wärme, um reines Stickstoffgas (N₂) zu erzeugen. In ähnlicher Weise erzeugen die meisten Alkali- Bicarbonate (beispielsweise Natrium-Bicarbonat) Kohlendioxid-Gas (CO₂) bei thermischer Zersetzung. Jede dieser Verbindungen kann in den Gasbildungskammern genutzt werden. Das Nennen dieser Komponenten soll den Bereich der Erfindung jedoch nicht begrenzen. Die Nennungen sollen lediglich als Beispiele für Verbindungen dienen, die üblicher Weise für chemische Reaktionen genutzt werden, um gasförmige Produkte zu erzeugen.

Aufgrund eines thermischen Zerfalls der gaserzeugenden Verbindungen steigt der Druck in­ nerhalb eines speziellen Gaserzeugers in Folge der Volumenausdehnung der Gasmoleküle. Weil die Volumen in dem Mikrofluidsystem klein sind, ist die Gasmenge, die zum Leiten des Materials entlang eines ausgewählten Kanals benötigt wird, dementsprechend klein. Demge­ mäß muß sich nur eine Minuskel-Menge der gaserzeugenden Verbindung zersetzen, um aus­ reichend Gas (gemessen in Nanoliter) zum Lenken des Materials zu dem nächsten Testbereich zu erzeugen. Die typische Menge der gaserzeugenden Verbindung ist im allgemeinen in der Größenordnung von Picomol. Während die tatsächliche Menge der gaserzeugenden Verbin­ dungen, die zum Erzeugen eines Nanoliters notwendig ist, eine Funktion der tatsächlichen Reaktion ist, erzeugen im Fall von Natrium-Bicarbonat etwa fünf Nanogramm einen Nanoli­ ter Gas.

Das Mikrofluidsystem weist das Substrat mit inneren Merkmalen auf, die Gasbildungskam­ mern, Mikrofluidkanäle, Mikrofluidkabinen bzw. -zwischenräume und von den Gaskammern verschiedene Mikrofluidfließsteuerelemente umfassen. Deshalb kann das Mikrofluidsystem bekannte Eigenschaften bzw. Merkmale aufweisen, wie Kapillarkanäle, Trennungs- bzw. Se­ perationskanäle und Meß- bzw. Erfassungskanäle. Das Mikrofluidsystem ist so konstruiert, daß das Material in Abhängigkeit von dem gewünschten Testen entweder parallel oder seriell verarbeitet werden kann. Bei der bevorzugten Ausführungsform bestimmt das Ergebnis eines Anfangstests (beispielsweise Test Nr. 1), welcher der alternativen, folgenden Tests (bei­ spielsweise Test Nr. 2 oder Test Nr. 3) ausgeführt wird. Demgemäß wird der zugehörige Er­ zeuger bzw. Generator, welcher entlang des Netzwerks von Kanälen strategisch angeordnet ist, aktiviert, um das Material als Reaktion auf das Ergebnis des Anfangstests zu seinem ge­ wünschten Ort zu leiten. Bei einer alternativen Ausführungsform wird die Aktivierung eines Gaserzeugers als Reaktion auf eine äußere Steuerung ausgeführt, beispielsweise ein Compu­ terprogramm oder ein menschlicher Bediener.

Wenn beispielsweise das Ergebnis der Tests Nr. 1 positiv ist, wird das Material mittels eines ersten Gaserzeugers zu einem Testbereich Nr. 2 geleitet, wo auf der Basis des Ergebnisses des Tests Nr. 1 eine folgende Analyse ausgeführt wird. Wenn das Ergebnis des Tests Nr. 1 nega­ tiv ist, wird das Material hingegen mit Hilfe eines anderen Gaserzeugers zu einem Testbereich Nr. 3 geleitet.

Wie bereits ausgeführt wurde, besteht ein Vorteil der Erfindung darin, daß nur eine Minuskel- Menge einer gaserzeugenden Verbindung benötigt wird, um eine ausreichende Zersetzung bzw. einen ausreichenden Zerfall zum Erzeugen von genügend Gas zu liefern, um das Materi­ al zu dem nächsten Testbereich der Vorrichtung zu leiten. Weil darüber hinaus die Menge der gaserzeugenden Verbindung klein ist, kann die zum Zersetzen der Verbindung notwendige Energie leicht auf den Punkt der Zersetzung bzw. des Zerfalls lokalisiert werden. Es ist des­ halb unwahrscheinlich, daß die von den Widerständen erzeugte Wärme eine Beschädigung des Materials verursacht.

Optional kann jede Gasbildungskammer eine Anordnung von diskreten Volumen der gaser­ zeugenden Verbindung umfassen. Eine entsprechende Anzahl von Mikroheizern kann vorge­ sehen sein, so daß die Mikroheizer einer speziellen Kammer einzeln oder gemeinsam aktiviert werden können, um eine genaue Gasmenge zu erzeugen. Beispielsweise können acht binär­ gewichtete Mengen eines gaserzeugenden Materials von einem einzelnen Gaserzeuger umfaßt sein. Mit Hilfe einer zweckmäßigen Aktivierung der acht in Verbindung stehenden Mikrohei­ zer kann eine von 256 verschiedenen Gasmengen erzeugt werden. Diese Ausführungsform kann in Situationen genutzt werden, in denen die benötigten Pumpenkräfte sorgfältig gesteu­ ert werden müssen. Alternativ kann die genaue Gasmenge mit Hilfe einer analogen Steuerung erzeugt werden. Dieses bedeutet, daß eher die spezifische Menge der Wärme, welche auf die gaserzeugenden Verbindungen angewendet wird, gesteuert wird, als daß die Menge der gaser­ zeugenden Verbindungen gesteuert wird, die ausgewählt bzw. selektiv erwärmt werden, um die genaue Gasmenge zu erzeugen. Eine genaue Gasmenge wird in relativer Proportion zu der Menge der zugeführten Wärme erzeugt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Beispiels für ein bekanntes Mi­ krofluidsystem mit einem inneren Bereich, einem inneren Trennungskanal und Eingangs- und Ausgangsanschlüssen;

Fig. 2 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Mikrofluidsystems, bei dem Gaser­ zeuger benutzt werden, um ein Material in Abhängigkeit vom Ergebnis eines Anfangstest zu verschiedenen Bereichen zu lenken;

Fig. 3 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Mikrofluidsystems, bei dem Gaser­ zeuger genutzt werden, um als Reaktion auf äußere Steuerungen ein Ver­ suchsmaterial zu verschiedenen Bereichen zu leiten;

Fig. 4 einen Gaserzeuger gemäß dem System nach Fig. 2, wobei mikroskopische Widerstände genutzt werden, um ein Gas mit Hilfe eines thermischen Zerfalls aus einem flüssigen Zustand oder einem festen Zustand in einen gasförmigen Zustand zu bilden;

Fig. 5 einen Gaserzeuger gemäß dem System nach Fig. 2 mit mehreren Kammern zum Bilden einer exakten Gasmenge; und

Fig. 6 ein Verfahrensflußdiagramm zum Nutzen des Systems nach Fig. 2, um das Material zu seinem zugehörigen Bereiche zu leiten.

Fig. 2 ist eine Darstellung einer bevorzugten Architektur eines Mikrofluidsystems 30, bei dem Gaserzeuger benutzt werden, um ein Material erfindungsgemäß in verschiedene Bereiche zu leiten. Das System 30 ist auf einem Substrat 31 ausgebildet, welches von dem in Verbin­ dung mit Fig. 1 beschriebenen Typ ist. Das System umfaßt drei Bereiche, die zum Verar­ beiten bzw. Bearbeiten genutzt werden, wobei mehr Bereiche vorgesehen sein können. Die Verfahren umfassen beispielsweise das Mischen, das Synthetisieren, das Markieren, das Te­ sten, das Filtern, das Extrahieren, das Fällen und das Aufschließen.

Obwohl das Mikrofluidsystem 30 so beschrieben ist, daß es ein Substrat 31 aufweist, ist die­ ses nicht kritisch für die Erfindung. Das Mikrofluidsystem 30 kann auch auf einem oder in­ nerhalb eines Körper(s), eines Gehäuses und einer Stützstruktur oder dergleichen ausgebildet sein, ohne daß der Bereich der Erfindung verlassen wird.

Bei der bevorzugten Ausführungsform umfassen die drei Bereiche, die zum Verarbeiten bzw. Bearbeiten genutzt werden, einen Bereich 32 zum Ausführen eines Tests Nr. 1, einen Bereich 34 zum Ausführen eines Tests Nr. 2 und einen Bereich 36 zum Ausführen eines Tests Nr. 3. Ein Material 38 wird entlang eines Kanals 40 in dem Mikrofluidsystem 30 in den Bereich 32 zum Ausführen des anfänglichen Tests Nr. 1 eingeführt. Der Bereich 32 umfaßt einen Detek­ tor 33 zum Bestimmen des Ergebnisses des Tests Nr. 1. Der Detektor kann ein optisch getrie­ benes Bauelement, ein chemisch getriebenes Bauelement oder irgendeine bekannte Einrich­ tung von einem anderen Typ sein. Basierend auf dem Ausgang des Tests Nr. 1 wird das Mate­ rial entweder mit Hilfe eines Gaserzeugers 44 in den Bereich 34 oder mit Hilfe eines Gaser­ zeugers 42 in den Bereich 36 geleitet. Die Bereiche 34 und 36 enthalten Detektoren 35 bzw. 37 zum Bestimmen der Ergebnisse des Tests Nr. 2 und des Tests Nr. 3.

Wenn das Ergebnis des Tests Nr. 1 in dem Bereich 32 beispielsweise als positiv bestimmt wird, wird das Material mit Hilfe des Gaserzeugers 44 entlang von Kanälen 48 und 46 in den Bereich 34 gelenkt, um den Test Nr. 2 auszuführen. Nach dem Ausführen des Tests Nr. 2 kann das Material 38 entlang eines Kanals 50 zu anderen Testbereichen (nicht dargestellt) gelangen, um zusätzlichen Tests, wie sie im Bereich 34 existieren, ausgesetzt zu werden.

Wenn das Ergebnis des Test Nr. 1 in den Bereich 32 jedoch als negativ bestimmt wird, wird das Material hingegen mit Hilfe des Gaserzeugers 42 entlang der Kanäle 46 und 48 zu dem Bereich 36 geleitet, um den Test Nr. 3 auszuführen. Nach dem Ausführen des Tests Nr. 3 kann das Material 38 entlang eines Kanals 52 weiteren Tests, wie sie im Bereich 36 existie­ ren, ausgesetzt werden. Obwohl die Anordnung von zwei Gaserzeugern und drei Bereichen beschrieben ist, sind anderen Anordnungen möglich, beispielsweise serielle Gaserzeuger und Testbereiche, die mittels eines Netzwerks von Kanälen verbunden sind. Die exakte Konfigu­ ration des Mikrofluidsystems ist für die Erfindung nicht kritisch.

In Fig. 3, in welcher für wiederholte Elemente nach Fig. 2 die selben Bezugszeichen ge­ nutzt werden, nutzt ein Mikrofluidsystem 30 Gaserzeuger 42 oder 44, um das Material 38 zu den zugehörigen Bereichen 34 oder 36 zu leiten. Die Gaserzeuger 42 und 44 nach Fig. 3 werden eher mit Hilfe ihrer jeweiligen, von außen betriebenen Steuerung 54 oder 56 gesteu­ ert, als daß das Gas zum Leiten des Materials 38 als eine automatische Antwort auf das Er­ gebnis des Tests Nr. 1 in dem Bereich 32 erzeugt wird. Dieses bedeutet, daß Gaserzeuger 42 und 44 mit Hilfe jeweiliger äußerer Steuerungen 54 und 56 gesteuert werden, welche mit Hil­ fe eines Computerprogramms oder von einem menschlichen Bediener betrieben werden kön­ nen. Die Implementierung der Steuerungen ist nicht kritisch. Bei einer Ausführungsform ist jede Steuerung ein Einzelschalter, der von außen aktiviert wird. Bei einer alternativen Aus­ führungsform umfaßt jeder Gaserzeuger 42 und 44 eine Anordnung von diskreten Proben einer gaserzeugenden Verbindung (was weiter unten genauer erklärt wird) und ist jede Steue­ rung eine entsprechende Anordnung von Schaltern. Eine Eins-zu-Eins-Entsprechung zwi­ schen den Proben und den Schaltern ermöglicht es, daß das Volumen eines erzeugten Gases allein mit Hilfe des ausgewählten Aktivierens der Schalter einer Anordnung bestimmt wird. Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Steuerungen leitende Spuren auf der Oberfläche des Substrats 31. Andere Ausführungsformen können auch in Erwägung gezogen werden.

Fig. 4 zeigt einen Gaserzeuger 60, der ähnlich zu den Gaserzeugern 42 und 44 ist, mikro­ skopische Widerstände 62, die elektrisch aktiviert werden, und einen Detektor 64 umfaßt.

Wenn ein Strom durch die Widerstände 62 fließt, wird die elektrische Energie in Wärme um­ gewandelt. Auf einem mikroskopischen Niveau vergrößern Zusammenstöße zwischen den Elektronen und dem Gitter der Widerstände 62 die Amplitude der thermischen Schwingungen des Gitters. Auf einem makroskopischen Niveau entsprechen die thermischen Schwingungen einem Temperaturanstieg in dem Gaserzeuger 60. Die Widerstände sind in einem Contain­ ment-Bereich enthalten, der in dem Substrat gebildet ist, welches das unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschriebene Mikrofluidsystem 30 stützt. Alternativ können die Widerstände auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet sein oder getrennt in das Substrat eingebettet sein, wenn die Widerstände in einer Wärmeübertragungsverbindung mit dem Containment-Bereich ste­ hen. Es ist auch möglich, einen einzelnen Widerstand zu nutzen.

Wenn die von dem Containment-Bereich definierte Umgebung des Gaserzeugers 60 eine niedrigere Temperatur als der Widerstand 62 aufweist, findet eine Wärmeübertragung von den Widerständen 62 in die Umgebung statt. Die Umwandlung elektrischer Energie in Wär­ meenergie in einem Widerstand ist durch das Joul'sche Gesetz gegeben:

P = i²R = V²/R,

wobei P der Energieverlust in Form von Wärme jedes Widerstands 62, i der Strom durch den Widerstand, R der Widerstandswert des Widerstands und V die Spannung sind. Die Wärme wird zu dem Containment-Bereich geleitet, um die Temperatur von dessen Inhalten zu erhö­ hen. Die Inhalte sind ein oder mehrere Proben einer gaserzeugenden Verbindung.

Wie in der Chemie bekannt ist, existiert eine Klasse von Verbindungen, die aus einem flüssi­ gen Zustand oder einem festen Zustand in einen gasförmigen Zustand übergehen bzw. zerfal­ len, wenn Wärme angewendet wird. Beispielsweise zerfällt Natriumazid (NaN₃) bei der An­ wendung von Wärme, so daß reines Stickstoffgas (N₂) erzeugt wird. In ähnlicher Weise er­ zeugen Alkali-Bicarbonate (beispielsweise Natrium-Bicarbonat) Kohlendioxid (CO₂) wenn sie thermisch zerfallen.

Durch den Übergang bzw. das Zerfallen der gaserzeugenden Verbindung aus dem flüssigen oder dem festen Zustand in einen gasförmigen Zustand, steigt der Druck innerhalb des Con­ tainment-Bereichs des Gaserzeugers 60 mit der Volumenausdehnung der Gasmoleküle. Folg­ lich treibt der Gasdruck das Material entlang eines ausgewählten Kanals oder einer Folge von Kanälen in einen interessierenden Bereich. Weil die Volumina der Bereiche und der Kanäle des Mikrofluidsystems 30 klein sind, ist die Menge von Gasmolekülen, die zum Leiten des Materials entlang der ausgewählten Kanäle benötigt werden, dementsprechend klein. Deshalb wird nur eine Minuskel-Menge der gaserzeugenden Menge zum Zerfallen benötigt, um zum Leiten des Materials zum nächsten interessierenden Bereich ausreichend Gasmoleküle zu er­ zeugen. Im Fall des Natrium-Bicarbonats erzeugen fünf Nanogramm des Materials ein Nano­ liter Gasmoleküle.

Wie bereits erwähnt wurde, können mehr als eine Probe der gaserzeugenden Verbindung vor­ gesehen sein, wobei für jede Probe ein zugehöriger Widerstand vorgesehen ist. Der Anstieg des Drucks innerhalb eines Gaserzeugers kann dann mit Hilfe eines Heizens einer ausge­ wählten Anzahl von Proben exakt gesteuert werden. Fig. 5 zeigt den Gaserzeuger 60 nach Fig. 4 mit einer Anzahl von Kammern, wobei jede Kammer 66 einem zugehörigen Wider­ stand 62 entspricht und eine gaserzeugende Verbindung umfaßt, so daß die Kammern des Gaserzeugers 60 einzeln oder gemeinsam zum Erzeugen einer genauen Gasmenge aktiviert werden können. Des weiteren kann das Mikrofluidsystem ohne das Auffüllen der Zuführung der gaserzeugenden Verbindung erneut genutzt werden, wenn innerhalb des selben Testbe­ reichs, beispielsweise dem Bereich 32 in Fig. 4, verschiedene Proben unterschiedlichen Tests folgend erwärmt werden.

Ein alternatives Verfahren zum Erzeugen von Gas ist die Elektrolyse. Das Anwenden eines elektrischen Stroms durch eine elektrolysierbare Flüssigkeit zersetzt die Flüssigkeit in ihre Bestandteile. Beispielsweise werden Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt, wenn ein elektri­ scher Strom auf Wasser angewendet wird. Sauerstoff und Wasserstoff können zum Leiten des Materials zum nächsten interessierenden Bereich genutzt werden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 6 wird der Betrieb des Mikrofluidsystems 30 nach Fig. 2 be­ schrieben. Ein Prozeßablaufdiagramm zum Leiten des Materials 38 entlang des Netzwerks von Kanälen in seine zugehörigen Testbereiche ist sequentiell gezeigt. In einem Schritt 70 wird das Material in dem ersten Testbereich 32 empfangen. Nachfolgend wird eine erste Analyse des Materials in einem Schritt 72 ausgeführt. Auf der Basis von erhaltenen Ergebnis­ sen in einem Schritt 74 wird das Material zu einer zweiten Analyse in einem Schritt 76 gelei­ tet. Das Leiten wird mit Hilfe einer Aktivierung des Gaserzeugers 44 oder des Gaserzeugers 42 in Abhängigkeit davon erreicht, ob das Material in den Bereich 36 oder den Bereich 34 getrieben werden soll.

Obwohl die Erfindung in Verbindung mit drei Testbereichen und zwei Gaserzeugern be­ schrieben wurde, können innerhalb eines Substrats komplexere Netzwerke ausgebildet wer­ den. Darüber hinaus können die Testbereiche Kanäle sein, beispielsweise Kapillarkanäle, in denen ein Verarbeiten und/oder ein Messen bzw. Erfassen stattfindet. Das Leiten des Materi­ als kann an dem Ausfluß des Kanals stattfinden. Darüber hinaus ist das Herstellen des Mi­ krofluidsystems auf oder innerhalb eines Substrats für die Erfindung nicht kritisch. Das Mi­ krofluidsystem kann auch auf oder innerhalb eines Körpers, eines Gehäuses und einer Stütz­ struktur oder dergleichen hergestellt werden, ohne daß der Bereich der Erfindung verlassen wird.

Claims (10)

1. Mikrofluidsystem (30) zum Leiten von Materialien (38) zu einem nächsten Verarbei­ tungsbereich mit:
einem ersten Kanal (40) mit einem ersten Verarbeitungsbereich (32) zum Auf­ nehmen einer ersten Verarbeitung der Materialien (38);
einem zweiten Kanal (46 und 48), der mit dem ersten Kanal (40) in einer Fluid­ verbindung steht, wobei der zweite Kanal (46 und 48) mehrere Verarbeitungsbereiche, einschließlich des nächsten Verarbeitungsbereichs (34 und 6) umfaßt; und
einem Gaserzeuger (42 und 44) mit einem Gasbildungsbereich, so daß eine Aus­ bildung von Gas in dem Gasbildungsbereich die Materialien (38) von dem ersten Kanal (40) zum dem nächsten Verarbeitungsbereich (34 und 36) leitet, wobei der nächste Verar­ beitungsbereich (34 und 36) zum Aufnehmen einer nächsten Verarbeitung der Materialien (38) konfiguriert ist.

2. Mikrofluidsystem (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verar­ beitungsbereich (32) ein Testbereich zum Ausführen einer Analyse der Materialien (38) ist.

3. Mikrofluidsystem (30) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaser­ zeuger (42 und 44) eine Heizelement umfaßt, welches mit dem Gasbildungsbereich ther­ misch verbunden ist, um die Temperatur innerhalb des Gasbildungesbereichs selektiv zu erhöhen, wobei der Gasbildungsbereich wenigstens eine Probe eines Materials umfaßt, das als Reaktion auf eine Anwendung von Wärme in einen gasförmigen Zustand zerfällt.

4. Mikrofluidsystem (30) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement ein Widerstand (62) ist, der konfiguriert ist, um Wärme als Reaktion auf einen Eingang von elektrischer Energie abzugeben.

5. Mikrofluidsystem (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß wenigstens ein Detektor (33, 35 und 37) vorgesehen ist, welcher mit dem ersten Verarbeitungsbereich (32) und dem nächsten Verarbeitungsbereich (34 und 36) zum Er­ fassen von Verarbeitungen verbunden ist, die die erste und die nächste Verarbeitung um­ fassen.

6. Mikrofluidsystem (30) nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaser­ zeuger (42 und 44) zum Leiten des Gases aktiviert wird, um die Materialien (38) als Re­ aktion auf ein spezifisches Ergebnis der ersten Verarbeitung der Materialien (38) zu dem nächsten Verarbeitungsbereich (34 und 36) zu leiten.

7. Mikrofluidsystem (30) nach Anspruch 1, 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ga­ serzeuger (42 und 44) zum Leiten des Gases aktiviert wird, um die Materialien (38) als Reaktion auf eine äußere Steuerung (54 und 56) zu dem nächsten Verarbeitungsbereich zu leiten.

8. Mikrofluidsystem (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch mehrere Gaserzeuger, wobei die mehreren Gaserzeuger einen zweiten Gaserzeuger (42 und 44) mit einem zweiten Gasbildungsbereich umfassen, so daß ein Bilden eines Gases in dem zwei­ ten Gasbildungsbereich die Materialien (38) zu einem dritten Verarbeitungsbereich (34 und 36) leitet, wobei der dritte Verarbeitungsbereich (34 und 36) konfiguriert ist, um eine Verarbeitung des Materials (38) auszuführen.

9. Mikrofluidsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Substrat (31), welches den ersten Kanal (40), den zweiten Kanal (46 und 48) und den Ga­ serzeuger (42 und 44) umfaßt.

10. Mikrofluidsystem (30) nach einem der Ansprüche 1, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaserzeuger (42 und 44) eine Bildung des Gases mittels einer Elektrolyse aus ei­ nem flüssigen Zustand oder einem festen Zustand in einen gasförmigen Zustand liefern.