DE102006022511B3

DE102006022511B3 - Vorrichtung zur Fassung einer planaren ein- oder mehrteiligen Mikroreaktionskammer

Info

Publication number: DE102006022511B3
Application number: DE200610022511
Authority: DE
Inventors: Michael Schimmelpfennig; Mandy Kirschner; Karl-Heinz Prof.Dr. Feller; Klaus Berka
Original assignee: Fachhochschule Jena
Current assignee: Fachhochschule Jena
Priority date: 2006-05-11
Filing date: 2006-05-11
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2026-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Fassung einer planaren ein- oder mehrteiligen Mikroreaktionskammer, die einen einfachen und schonenden Wechsel sowie eine fluidische Kontaktierung der Mikroreaktionskammer ermöglicht.
Die Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Fassungsunterteil (3) und einem Fassungsoberteil (4), welche sich zueinander verstellen lassen und über Magnetkraft gehalten werden. Es entstehen so eine geschlossene und eine geöffnete Stellung. Bei dieser wird die Mikroreaktionskammer in eines der Fassungsteile eingelegt.
Die fluidische Kontaktierung ist in einem der Fassungsteile integriert und bildet im geschlossenen Zustand mit der Mikroreaktionskammer mindestens einen Arbeitsraum.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Fassung einer Mikroreaktionskammer, wie sie gattungsgemäß von der Firma GeSiM Gesellschaft für Silizium-Mikroskopsysteme mbH angeboten wird.
Mikroreaktionskammern sind als mikrofluidische Durchflusszellen, Mikromischer, Mikropumpen und Mikroventileinheiten bekannt.
In der Analytik werden Gase und Flüssigkeiten z.B. mittels Durchflussküvetten untersucht. Diese weisen mindestens einen Arbeitsraum auf, der von dem Analysemedium durchströmt wird sowie pro Arbeitsraum mindestens einen Zu- und einen Abfluss.
Mit Hilfe von Durchflussküvetten werden physikalische, chemische oder auch biologische Parameter der durchfließenden bzw. durchströmenden Analysemedien oder deren Änderungen erfasst. Ein wichtiger Aspekt bei der Routineanalytik ist der Aufwand, der nötig ist, um eine Durchflussküvette nach abgeschlossener Messung gegen eine neue auszuwechseln.

Die Firma GeSiM, Gesellschaft für Silizium Mikroskopsysteme mbH, Deutschland bietet auf ihrer Web-Seite: www.gesim.de so genannte mikrofluidische Durchflusszellen an, die im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Durchflussküvette und eine Vorrichtung zur Fassung derselben darstellen.

Sie bestehen aus einem Fassungsunterteil, in welches eine Durchflussküvette, die in der Regel aus zwei Küvettenplatten besteht, eingelegt wird und ein Fassungsoberteil (Glasdeckel), an welchem Schlauchanschlussbuchsen für Schlauchstecker vorhanden sind.

Zum lösbaren Verbinden der beiden Fassungsteile miteinander – und damit auch zum druckdichten Anbinden an eine innen befindliche planare Durchflussküvette – werden diese miteinander verschraubt.

Eine solche Verbindungstechnik ist zeitaufwendig und bedarf eines Werkzeuges. Da das Lösen bzw. Anziehen der Schraubverbindungen zwangsläufig nacheinander erfolgt, ist die Druckentlastung bzw. -belastung der Durchflussküvette ungleichmäßig, sodass zwischen der unteren und der oberen Küvettenplatte Spannungen auftreten können, die eine Beschädigung der Küvettenplatten zur Folge haben kann.

Vergleichbare Vorrichtungen, die sich zu der beschriebenen technischen Lösung dadurch unterscheiden, dass ein Fassungsunterteil und ein Fassungsoberteil über ein Schwenkgelenk miteinander verbunden sind, sind aus der DE 600 13 815 T2 , der US 2003/0091477 A1, der EP 1 374 996 A1 , der US 2003/0059349 A1 und der WO 01/30489 A2 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Fassung einer planaren Mikroreaktionskammer zu schaffen, die schnell, unkompliziert und definiert geöffnet und geschlossen werden kann und die für die Mikroreaktionskammer während des Öffnens und Schließens eine gleichmäßige Druckbeaufschlagung bzw. Druckentlastung gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Anhand der Zeichnung wird die Vorrichtung im Folgenden beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen:
1a Explosivdarstellung einer Fassung von oben,
1b Explosivdarstellung einer Fassung gemäß 1b von unten,
2a perspektivische Draufsicht einer Fassung gemäß 1a in geschlossener Stellung,
2b perspektivische Draufsicht einer Fassung gemäß 1a in geöffneter Stellung,
3a Seitenansicht einer Fassung gemäß 1a in geschlossener Stellung,
3b Seitenansicht einer Fassung gemäß 1a in geöffneter Stellung,
4 Detailansicht einer Fassung gemäß 1a.
In den 1a, 1b ist eine vorteilhafte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Fassung einer planaren Durchflussküvette mit eingelegter Durchflussküvette in Explosivdarstellung gezeigt.
Die Durchflussküvette besteht in diesem Beispiel aus einem Küvettenunterteil 2 und einem Küvettenoberteil 1.
Auf dem Küvettenunterteil 2 sind topologisch Spots 19 angeordnet, welche der Analyse des darüber befindlichen Mediums dienen.
In der dem Küvettenunterteil 2 zugewandten Seite des Küvettenoberteils 1 ist eine einzige mäanderförmige Vertiefung 20, an deren Anfang und Ende jeweils eine durchgehende Bohrung 15 zu erkennen ist, vorhanden. Bei der hier dargestellten Durchflussküvette bilden das Küvettenunterteil 2 und das Küvettenoberteil 1 oder genauer gesagt die durch sie gebildete Kavität nur eine Arbeitskammer mit einem Einlass und Auslass. Entsprechend sind in der Darstellung nur zwei Schlauchstecker 13 dargestellt, über welche ein Analysemedium dieser einen Arbeitskammer zugeführt und von dieser wieder abgeführt wird.
Die hier beschriebene Ausführungsform der Fassungsvorrichtung wäre ebenso geeignet für eine Durchflussküvette mit zwei oder mehreren Arbeitskammern, was später erläutert wird.
Die Fassung umfasst im Wesentlichen ein Fassungsunterteil 3 und ein Fassungsoberteil 4, die jeweils eine Aussparung 6.1, 6.2 zur optischen Analyse aufweisen, zwei in die Fassungsteile 3, 4 eingebettete Dauermagneten 7 zum Zusammenhalten der Fassungsteile 3, 4, zwei im Fassungsoberteil 4 gefasste Führungsstifte 10.1, 10.2 sowie eine Führungsnut 9 für eine geführte Bewegung der Fassungsteile 3, 4 zueinander zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung.
Verfahrenstechnisch und ergonomisch vorteilhaft weisen die beiden Fassungsteile 3, 4 eine gleiche äußere Form mit einem unsymmetrisch ausgebildeten Griff 17.1, 17.2 auf. Durch die Gestaltung der jeweils anderen Planflächen als Außen- bzw. Innenseite der Fassungsteile 3, 4 wird der Griff 17.1 des Fassungsoberteils 4 als rechter Griff 17.1 und der Griff 17.2 am Fassungsunterteil 3 als linker Griff 17.2 nutzbar. Die Fassung kann somit bequem manuell zwischen der geschlossenen Stellung (2a), in der sich die beiden Fassungsteile 3, 4 maximal überdecken und der geöffneten Stellung (3a), vergleichbar mit einer Zange, verstellt werden.
In beide Fassungsteile 3, 4 sind an gleicher Stelle gegenpolig die Dauermagneten 7 eingelegt, sodass ihre Mittelachsen zusammenfallen und gemeinsam eine Drehachse 8 bilden, um die die beiden Fassungsteile 3, 4 zwischen der geschlossenen und der geöffneten Stellung drehbar sind. Die Dauermagneten 7 definieren somit die Drehachse 8 und sind gleichzeitig mit ihrer Magnetkraft für die kraftschlüssige Verbindung der beiden Fassungsteile 3, 4 bestimmend.
Damit diese Drehbewegung auch gesichert um die Drehachse 8 erfolgt, ist eine Führung vorgesehen, die durch eine Führungsnut 9 im Fassungsunterteil 3 und zwei Führungsstifte 10.1, 10.2 im Fassungsoberteil 4 gebildet wird. Alternativ könnten die Führungsstifte 10.1, 10.2 im Fassungsunterteil 3 sitzen und Führungsnut 9 im Fassungsoberteil 4 ausgespart sein.
Die Führungsnut 9 weist die Form eines Kreisringabschnittes auf, dessen Kreismittelpunkt auf der Drehachse 8 liegt. In dieser Führungsnut 9 sind zwei Arretierungslöcher 11.1, 11.2 ausgebildet mit einem auf den Durchmesser der Führungsstifte 10.1, 10.2 abgestimmten Durchmesser, um gemeinsam eine Spielpassung zu bilden. Erst beim Einrasten der beiden Führungsstifte 10.1, 10.2 in je ein Arretierungsloch 11.1, 11.2 hin zur geschlossenen Stellung kommt es zu einer senkrechten Bewegung, mit der die fluidische Ankopplung der Durchflussküvette an die Schlauchstecker 13 vollzogen wird. Durch diesen Schließmechanismus wird ein Berühren oder Beschädigen der Küvettenoberflächen wirksam verhindert.
Durch ein leichtes Auseinanderdrücken der beiden Griffe 17 in Richtung der Drehachse 8 um ca. 5° werden die Fassungsstifte 10.1 und 10.2 aus den Arretierungslöchern 11.1, 11.2 gehoben und damit der mittelbare Kontakt über die Dichtringe 14 zwischen dem Fassungsoberteil 4 und der Durchflussküvette aufgehoben. Das Fassungsoberteil 4 wird dann entgegen dem Uhrzeigersinn und/oder das Fassungsunterteil 3 mit dem Uhrzeigersinn gedreht, bis die Fassungsteile 3, 4 zueinander in der geöffneten Stellung stehen. Die Durchflussküvette liegt damit während einer Bewegung senkrecht zur Drehachse 8, lediglich durch ihr Eigengewicht gehalten, formschlüssig in der Ausnehmung 16 im Fassungsunterteil 3.
Die geöffnete Stellung der Fassung wird durch den als Anschlag 12 in der Führungsnut ausgeprägten Endpunkt, der die Bewegung des zweiten Führungsstiftes 10.2 begrenzt, definiert.
Vorteilhaft kann die Führungsnut 9 eine sich verändernde Tiefe aufweisen. Beginnend vom ersten Arretierungsloch 11.1 hin zum zweiten Arretierungsloch 11.2 und von diesem hin zum Anschlag 12 steigt die Tiefe stetig. Vorteilhaft ist der Anstieg linear. Damit werden die beiden Fassungsteile 3, 4 beim Öffnen der Fassung zunehmend in Richtung der Drehachse 8 zusammengezogen, was einen besseren Halt der Fassungsteile 3, 4 durch die erhöhte Magnetkraft bewirkt.
Die Ausnehmung 16 ist eine Erweiterung der Aussparung 6.2 zur Innenseite des Fassungsunterteils 3 hin und an die Form und Größe der Durchflussküvette angepasst. Die an den Ecken dargestellten Freimachungen 18 ermöglichen das Greifen der Durchflussküvette z.B. mit einer Pinzette zwecks Austausch. Die Aussparung 6.2 in dem Fassungsunterteil 3 muss grundsätzlich nur um soviel kleiner als die Ausnehmung 16 sein, dass eine genügend große Auflagefläche für die Durchflussküvette bleibt.
Die sich an gleicher Stelle im Fassungsoberteil 4 befindende Aussparung 6.1 ist wenigstens um zwei auf sich gegenüberliegenden Seiten eine Randbreite kleiner, um die Bohrungen 15 im Küvettenoberteil 1 abzudecken. (Bei einer Durchflussküvette mit zwei Arbeitskammern befinden sich eine dritte und vierte Bohrung 15 den ersten beiden Bohrungen 15 spiegelsymmetrisch gegenüberliegend.)
Anstelle von Aussparungen 6.1, 6.2 in den Fassungsteilen 3, 4 können diese auch aus einem optisch transparenten Material gefertigt sein.
In diesen Randbereichen befinden sich oberhalb der Bohrungen 15 in dem Fassungsoberteil 4 Schlauchanschlussbuchsen 5, an denen von der Innenseite her Dichtringe 14 eingelegt sind und von der Außenseite her, zur Zu- und Abführung des Analysemediums, Schlauchstecker 13 wahlweise angeschlossen werden können. Es können sowohl zwei Schlauchstecker 13 angeschlossen werden, wenn eine Durchflussküvette mit nur einer Arbeitskammer eingelegt ist, als auch vier Schlauchstecker 13 für eine Durchflussküvette mit zwei Arbeitskammern. Bei Verwendung eines Mikromischers kommen zwei Einlässe und ein Auslass zum Einsatz.
Im geschlossenen Zustand der Fassung (2a, 3a) werden das Fassungsoberteil 4 und das Fassungsunterteil 3 durch die Magnetkraft mittelbar aneinandergezogen, sodass die Dichtringe 14 auf die Durchflussküvette drücken und diese abdichten. Je nach Analysemedium kann die Fluid- bzw. Gasführung unmittelbar nach dem Schließen der Fassung erfolgen.
Beim Öffnen und Schließen erfolgt eine gleichmäßige Druckent- bzw. belastung, wodurch Spannungen zwischen den Kontaktflächen der beiden Küvettenteile (1, 2) vermieden werden und damit deren Beschädigung verhindert wird.
Die beschriebene Ausführungsform der Fassungsvorrichtung wurde als eine besonders vorteilhafte Ausbildung ausführlich erläutert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, nicht in den Zeichnungen dargestellt, sind sowohl die Schlauchstecker 13 als auch die Ausnehmung 16 zur Einlage der Mikroreaktionskammer mit den nötigen Dichtringen 14 in dem Fassungsunterteil 3 integriert.
Das Fassungsoberteil 4 wird, wie im zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel, magnetisch gehalten und durch eine Führungsnut 9 mit Arretierungslöchern 11.1, 11.2 sicher positioniert. Diese zweite Ausführung hat den Vorteil, dass bei einer festen Installation des Fassungsunterteils 3 an einer anderen Vorrichtung keine Schläuche an dem beweglichen Fassungsoberteil 4 angebracht sind, sondern diese trotz der Öffnungs- und Schließbewegung unbewegt mit der Vorrichtung verbunden bleiben.
In einer dritten, ebenfalls nicht in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform sind die beiden Fassungshälften an ihren den Griffen gegenüberliegenden Seiten über ein Scharnier verbunden, welches die Führung übernimmt. Die Fassungshälften werden zwischen der geschlossenen und der geöffneten Stellung lediglich um die durch das Scharnier definierte Schwenkachse verkippt. Der magnetische Kraftschluss wird hier durch Dauermagnete realisiert, die nahezu in beliebiger Umfangsform und an beliebiger Stelle, jeweils paarweise zugeordnet, angeordnet sein können. Nachteilig ist hier, dass die Magnetkraft vollständig aufgehoben werden muss, um die Fassung zu öffnen, was zu unkontrollierten, ruckartigen Bewegungen und zum Herausfallen der Mikroreaktionskammer führen kann.
Die Fassungsvorrichtung hält die Mikroreaktionskammer umseitig geschützt, verschließt dieselbige gasdicht während des Haltens und ermöglicht ein einfaches Auswechseln.

Claims

Vorrichtung zur Fassung einer planaren ein- oder mehrteiligen Mikroreaktionskammer, die wenigstens eine Arbeitskammer aufweist, zur optischen Analyse von Flüssigkeiten oder Gasen, bestehend aus einem Fassungsunterteil (3) und einem Fassungsoberteil (4), die miteinander lösbar verbunden sind und in einem der Fassungsteile (3, 4) eine Ausnehmung (16) zur Einlage der Mikroreaktionskammer vorhanden ist, und in einem der Fassungsteile (3, 4) Schlauchanschlussbuchsen (5) zum Verbinden der Arbeitskammern der Mikroreaktionskammer mit Schlauchsteckern (13) zur Zu- und Abführung des Analysemediums vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Fassungsunterteil (3) und das Fassungsoberteil (4) magnetisch zusammengehalten werden, indem in das Fassungsunterteil (3) und das Fassungsoberteil (4) je ein Dauermagnet (7) gegenpolig eingepasst ist, dessen mechanische Achsen zueinander fluchtend verlaufend eine Drehachse (8) bilden, so dass das Fassungsoberteil (4) und das Fassungsunterteil (3) zueinander zwischen einer geöffneten Stellung, in der eine Küvette eingelegt und herausgenommen werden kann, und einer geschlossenen Stellung verdrehbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den an der Mikroreaktionskammer anliegenden Bereichen des Fassungsunterteils (3) und des Fassungsoberteils (4) Aussparungen (6.1) vorhanden sind, durch die eine ungehinderte optische Analyse möglich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (6.1) im Fassungsunterteil (3) um einen umlaufenden Randbereich kleiner der darüber befindlichen Ausnehmung (16) ist und im Fassungsoberteil (4) die Schlauchanschlussbuchsen (5) vorhanden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Ausnehmung (16) als auch die Schlauchanschlussbuchsen (5) im Fassungsunterteil (3) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Führung vorhanden ist, bestehend aus einer kreisringabschnittsförmigen Führungsnut (9), in einem der Fassungsteile (3, 4), deren Kreismittelpunkt auf der Drehachse (8) liegt sowie fixierten Führungsstiften (10.1, 10.2) in dem anderen Fassungsteil (3, 4).
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Führungsnut (9) ein erstes und ein zweites Arretierungsloch (11.1, 11.2) im Abstand der Führungsstifte (10.1, 10.2) vorhanden ist, in welche die Führungsstifte (10.1, 10.2) in der geschlossenen Stellung der Fassung einrasten, wobei die Tiefe der Führungsnut (9) geringer ist als die Länge der freien Enden der beiden Führungsstifte (10.1, 10.2).
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die geöffnete Stellung der Fassung ein Ende der Führungsnut (9) für einen der Führungsstifte (10.1, 10.2) einen Anschlag (12) bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Tiefe der Führungsnut (9) vom ersten Arretierungsloch (11.1) zum zweiten Arretierungsloch (11.2) und vom zweiten Arretierungsloch (11.2) zum Anschlag (12) hin stetig verringert, wodurch das Fassungsunterteil (3) und das Fassungsoberteil (4) zueinander um eine Achse senkrecht zur Drehachse (8) verkippt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagneten (7) eine runde Scheibenform aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fassungsunterteil (3) und das Fassungsoberteil (4) mit gleichem Grundkörper, gleicher Umfangsform und Umfangsgröße gefertigt sind.