DE102006059459B4 - Vorrichtung zur Aufnahme oder Manipulation einer Flüssigkeit und Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zur Aufnahme oder Manipulation einer Flüssigkeit und Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung Download PDF

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Abstract

Vorrichtung (1) zur Aufnahme oder Manipulation eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit (2), mit einem Träger (3), einer Deckfolie (4) und einer zwischen dem Träger (3) und der Deckfolie (4) gebildeten, insbesondere kanalförmigen Kammer (5), dadurch gekennzeichnet, daß die ursprünglich flache und/oder nicht vorgeformte Deckfolie (4) auf den Träger (3) auflaminiert ist und eine allein durch das Auflaminieren dreidimensional geformte oder gewölbte Kammerwand (6) bildet, die die Kammer (5) partiell begrenzt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme oder Manipulation eines Fluids, wie einer Flüssigkeit, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung.
  • Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit vorzugsweise mikrofluidischen Systemen bzw. Vorrichtungen. Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich insbesondere auf Vorrichtungen, bei denen Kapillarkräfte wirken und insbesondere für die Funktion entscheidend sind.
  • Es sind mikrofluidische Vorrichtungen mit Kammern insbesondere in Form von Kanälen bekannt, die durch eine dreidimensional geformte Folie zumindest partiell begrenzt und insbesondere elastisch deformierbar oder zusammendrückbar sind. Derartige Kammern bzw. Kanäle gestatten die Aufnahme und das Manipulieren, insbesondere Leiten, Mischen oder Fördern, von Flüssigkeiten.
  • Die DE 600 04 046 T2 betrifft ein Ventil zur Steuerung einer Flüssigkeit in einem Analyse-Chip. Das Ventil weist einen ersten und einen zweiten Kanal auf, die aus der Oberseite eines plattenförmigen Trägers beabstandet voneinander austreten. Die austrittsseitigen Öffnungen sind durch eine Folie abgedeckt. Zum Öffnen des Ventils wird die Flüssigkeit unter Druck gesetzt, um die Folie dreidimensional zu verformen und so eine Verbindung zwischen den Öffnungen herzustellen.
  • Die US 2006/0057030 A1 offenbart eine Einrichtung zum Transport von Flüssigkeiten in Bio-Chips mit einer dreidimensional geformten Struktur aus Folie.
  • Die US 2006/0076068 A1 betrifft microfluidische Strukturen aus im wesentlichen steifen Membranen. In einem plattenförmigen Substrat sind auf einer Flachseite offene Kanäle angeordnet. Ein erstes Kanalende und ein zweites Kanalende sind voneinander beabstandet angeordnet und nicht miteinander verbunden. Das Substrat ist mit einer Folie laminiert, die eine nicht mit dem Substrat verbundene Region aufweist, die das erste und zweite Kanalende umfaßt. Bei Beaufschlagung der Folie mit Kräften verformt sich diese dreidimensional und es strömt Flüssigkeit vom ersten in den zweiten Kanal.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Aufnahme oder Manipulation eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, wobei auf besonders einfache Weise eine zumindest partiell deformierbare, insbesondere elastisch verformbare Kammer oder sonstige dreidimensionale von einer Folie begrenzte Struktur bereitgestellt werden kann.
  • Die obige Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder ein Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine flache und/oder nicht vorgeformte Deckfolie auf einen Träger zu laminieren und eine allein durch das Auflaminieren dreidimensional geformte oder gewölbte Kammerwand zu bilden, die eine gewünschte Kammer zwischen Deckfolie und Träger partiell begrenzt. Dies gestattete eine besonders einfache Herstellung.
  • Insbesondere wird zum Laminieren eine Maske mit mindestens einer Ausnehmung oder Durchbrechung auf die Deckfolie unter Hitzeeinwirkung gepreßt, so daß vorzugsweise ausschließlich hierdurch die Deckfolie im Bereich der Ausnehmung bzw. Durchbrechung nicht mit dem Träger verbunden, sondern in diesem Bereich dreidimensional geformt bzw. strukturiert wird. In den anderen Bereichen wird die Deckfolie jedoch vorzugsweise in üblicher Weise durch das Auflaminieren fest mit dem Träger verbunden. So kann auf sehr einfache Weise eine Strukturierung bzw. Formung der Deckfolie erfolgen, um eine dreidimensionale Struktur, wie eine Kammer, für ein Fluid, wie einer Flüssigkeit, insbesondere zu deren Aufnahme und/oder Manipulation, zu bilden.
  • Unter dem Begriff "Kammer" ist bei der vorliegenden Erfindung insbesondere jede beliebige dreidimensionale Struktur zu verstehen, die vorschlagsgemäß herstellbar ist bzw. durch die dreidimensional geformte oder strukturierte Deckfolie begrenzt wird und der Aufnahme von Flüssigkeit oder eines sonstigen Fluids, gegebenenfalls auch Gas, dient.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere nur mikrofluidische Vorrichtungen bzw. Strukturen. Unter "mikrofluidisch" sind hier insbesondere nur Volumina von höchstens 100 μl, besonders bevorzugt 10 μl oder weniger, zu verstehen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnungen. Es zeigt:
  • 1 eine ausschnittsweise Draufsicht einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung;
  • 2 einen schematischen Schnitt entlang Linie II-II von 1;
  • 3 einen schematischen Schnitt entlang Linie III-III von 1, wobei ein Auflaminieren noch nicht erfolgt ist; und
  • 4 einen zu 3 korrespondierenden, schematischen Schnitt nach dem Auflaminieren.
  • In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Teile dieselben Bezugszeichen verwendet, wobei entsprechende oder vergleichbare Eigenschaften und Vorteile erreicht werden, auch wenn eine wiederholte Beschreibung weggelassen ist. Die Fig. sind zur Verdeutlichung verschiedener Aspekte und zur Erleichterung der Beschreibung nicht maßstabsgerecht.
  • 1 zeigt in einer ausschnittsweisen, schematischen Draufsicht eine vorschlagsgemäße Vorrichtung 1 zur Aufnahme und/oder Manipulation eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit. Das Fluid bzw. die Flüssigkeit ist in 1 nicht dargestellt. Vielmehr zeigt der schematische Schnitt gemäß 2 entlang Linie II-II von 1 beispielhaft die Vorrichtung 1 mit der Flüssigkeit 2.
  • Die Vorrichtung 1 weist einen Träger 3 und eine Deckfolie 4 auf. Zwischen dem Träger 3 und der Deckfolie 4 ist eine dreidimensionale fluidische Struktur zur Aufnahme bzw. Manipulation des Fluids gebildet. Insbesondere handelt es sich bei der Struktur um eine vorzugsweise kanalförmige Kammer 5.
  • Die Struktur bzw. Kammer 5 ist zumindest teilweise durch eine Kammerwand 6 begrenzt, die in bzw. von der Deckfolie 4 gebildet ist. Insbesondere ist der Träger 3 zumindest in diesem Bereich flach bzw. eben – mit Ausnahme eventueller Zu- oder Ableitungen für das Fluid – ausgebildet, so daß die Struktur bzw. Kammer 5 im wesentlichen oder quasi ausschließlich in der Deckfolie 4 bzw. außerhalb des Trägers 3 oder oberhalb von dessen Flachseite F gebildet ist.
  • Die Deckfolie 4 wird auf den Träger 3, insbesondere die Flachseite F des Trägers 3, auflaminiert, also unter Druck- und Hitzeeinwirkung mit dem Träger 3 verbunden.
  • Vor dem Auflaminieren wird die flache Deckfolie 4 vorschlagsgemäß weder vorgeformt noch dreidimensional strukturiert oder dergleichen, um die dreidimensional geformte und/oder gewölbte Kammerwand 6 zu bilden. Vielmehr wird die Deckfolie 4 erst durch das Auflaminieren derart verformt, strukturiert und/oder vorgespannt, daß die dreidimensional geformte bzw. gewölbte Kammerwand 6 gebildet wird.
  • Der schematische Schnitt gemäß 3 entlang Linie III-III von 1 zeigt die zunächst glatte bzw. flache Deckfolie 4 auf dem Träger 3 noch vor dem Auflaminieren, also vor Bildung der Kammer 5.
  • Das Auflaminieren erfolgt vorschlagsgemäß insbesondere mit einer Maske 7, die beispielsweise von einem entsprechend ausgebildeten Stempel, einer Zwischenlage oder dergleichen gebildet ist. Bedarfsweise kann die Maske 7 auch von der Oberfläche einer Rolle oder Walze eines Rollenlaminators oder dergleichen gebildet sein.
  • Die Maske 7 weist mindestens eine Ausnehmung oder Durchbrechung 8 auf, wie in 3 angedeutet.
  • Zum Laminieren wird die Maske 7 unter Hitzeeinwirkung auf die auf dem Träger 3 insbesondere zunächst lose aufliegende Deckfolie 4 gepreßt. Hierdurch wird die Deckfolie 4 vorzugsweise ausschließlich im Bereich der Ausnehmung bzw. Durchbrechung 8 nicht mit dem Träger 3 verbunden, sondern in diesem Bereich dreidimensional geformt bzw. strukturiert, wie in 4 angedeutet. Überraschenderweise hat sich nämlich gezeigt, daß ohne zusätzlichen Verformungsschritt und insbesondere ohne Einsatz eines Blähmittels, von Druckgas oder dergleichen im Bereich der Ausnehmung bzw. Durchbrechung 8 der Maske 7 die Deckfolie 4 aufgewölbt wird, wodurch die dreidimensional geformte bzw. gewölbte Kammerwand 6 gebildet wird, wie in 4 schematisch dargestellt.
  • Das vorschlagsgemäße dreidimensionale Verformen der Deckfolie 4 kann insbesondere wahlweise mit einem nicht dargestellten Stempellaminator oder Rollenlaminator durchgeführt werden.
  • Das vorschlagsgemäße Laminieren ist insbesondere sehr einfach durchführbar, da zusätzliche Verformungsschritte entfallen. Die Maske 7 ist sehr einfach herstellbar, da insbesondere keine dreidimensionale Strukturierung der Maske 7 erforderlich ist. Vielmehr genügt ist, eine Durchbrechung 8 oder mehrere Durchbrechungen 8 mit den gewünschten Konturen zu bilden.
  • Die Kammer 5 ist beim Darstellungsbeispiel im wesentlichen kanalförmig bzw. länglich und/oder kanalartig oder wulstartig ausgebildet, wie in der Draufsicht gemäß 1 und im Schnitt gemäß 2 angedeutet. Quer dazu ist die Kammer 5 vorzugsweise relativ dünn und insbesondere im Querschnitt im wesentlichen halbkreisförmig ausgebildet, wie in dem quer zu 2 verlaufenden Schnitt gemäß 4 angedeutet. Insbesondere ist die von der Deckfolie 4 gebildete Kammerwandung 6 quer zur Längserstreckung der Kammer 5 gewölbt bzw. halbrund ausgebildet. Jedoch sind grundsätzlich auch sonstige Konfigurationen, Formen und Strukturierungen möglich.
  • Die vorschlagsgemäß in der Deckfolie 4 gebildete Struktur bzw. Kammer 5 ist beispielsweise mit einem ersten Kanal 9 und/oder einem zweiten Kanal 10 der Vorrichtung 1 bzw. des Trägers 3 oder einer sonstigen fluidischen Struktur, einem fluidischen Bauelement oder dergleichen fluidisch verbunden. Beim Darstellungsbeispiel verläuft der erste Kanal 9 beispielsweise entlang der Flachseite F. Er ist beispielsweise durch eine Nut im Träger 3 gebildet, die insbesondere von der Deckfolie 4 flach abgedeckt ist. Der erste Kanal 9 endet oder beginnt mit einem Ende beispielsweise an einem Endbereich der Kammer 5.
  • Beim Darstellungsbeispiel schließt sich der zweite Kanal 10 insbesondere an das andere Ende der Kammer 5 an. Beispielsweise ist der zweite Kanal 10 als Durchbrechung bzw. Bohrung durch den Träger 3 hindurch ausgebildet und verbindet die Kammer 5 fluidisch mit einer auf der anderen Flachseite des Trägers 3 angeordneten fluidischen Struktur 11, wie einem Kanal, einem Detektionsbereich, einem Mischbereich oder dergleichen.
  • Die Struktur 11 ist vorzugsweise ebenfalls im Träger 3 gebildet und beispielsweise durch eine Abdeckung 12 abgedeckt, bei der es sich wiederum um eine Deckfolie, insbesondere aus dem gleichen Material wie die obere Deckfolie 4, handeln kann.
  • Die vorschlagsgemäße Vorrichtung 1 bildet insbesondere eine mikrofluidische Plattform bzw. ein mikrofluidisches System zur Aufnahme oder Manipulation eines Fluids, wie der Flüssigkeit 2.
  • Insbesondere ist die Kammer 5 bzw. die Kammerwand 6 elastisch oder reversibel verformbar. Die Rückstellung kann insbesondere aufgrund entsprechender Rückstellkräfte der Deckfolie 4 bzw. Kammerwand 6 und/oder aufgrund des in der Kammer 5 herrschenden Fluiddrucks erfolgen.
  • Zur Verformung kann beispielsweise ein in 2 schematisch angedeutetes Teil 13, wie ein Stempel, eine Rolle, eine Walze, ein Schieber oder dergleichen, auf die Kammerwand 6 einwirken.
  • Das Element 13 ist beispielsweise quer zur Längserstreckung der Kammer 5 bzw. zur Flachseite F bzw. Plattenebene des Trägers 3 bewegbar, so daß die Kammerwand 6 im Bereich des Elements 13 auf den Träger 3 drückbar und dadurch ein fluidischer Fluß durch die Kammer 5 in der Art eines Quetschventils unterbrechbar bzw. sperrbar oder drosselbar, steuerbar bzw. regulierbar ist.
  • Das Element 13 kann beispielsweise insbesondere bei länglicher Ausbildung der Kammer 5 auch in Längsrichtung entlang der Kammer 5 unter lokalem Zusammendrücken der Kammer 5 bewegt werden, wodurch eine Förderung bzw. Verdrängung des Fluids 2 in der Kammer 5 in der Art einer Schlauchpumpe erreicht werden kann. In diesem Fall bildet die Kammer 5 also insbesondere einen deformierbaren Pumpraum.
  • In den beiden vorgenannten Anwendungsbeispielen ist die Quererstreckung der auf die Kammer 5 bzw. Kammerwand 6 einwirkenden Fläche des Elements 13 vorzugsweise zumindest im wesentlichen mindestens ebenso groß wie die Breite der Kammer 5 quer zu ihrer Längserstreckung. Jedoch kann das Element 13 relativ zu dieser Breite auch relativ schmal bzw. klein ausgebildet sein. Insbesondere in diesem Fall eignet sich das Element 13 besonders, um das Fluid in der Kammer 5 beispielsweise hin und her oder bei entsprechender Ausbildung der Kammer 5 beispielsweise auch im Kreis bzw. Umlauf zu bewegen, beispielsweise um verschiedene Fluide oder eine Dispersion zu mi schen. In diesem Fall bildet die Kammer 5 also insbesondere einen Mischraum.
  • Es ist selbstverständlich, daß die vorschlagsgemäß ausgebildete Vorrichtung 1 für verschiedenste Zwecke eingesetzt und insbesondere auch mit sonstigen insbesondere mikrofluidischen Systemen, Bauelementen, wie Ventilen, Pumpen, Kapillarstops, Filtern, Detektionseinrichtungen oder dergleichen, kombiniert werden kann.
  • Die vorschlagsgemäße Vorrichtung 1 ist beispielsweise auch zur Analyse oder sonstige Behandlung von Fluiden, wie der Flüssigkeit 2, einsetzbar.
  • Beim Darstellungsbeispiel ist der Träger 3 vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere Polystyrol oder Polycarbonat, hergestellt. Der Träger 3 ist vorzugsweise zumindest im wesentlichen plattenförmig, flach und/oder eben ausgebildet. Die Deckfolie 4 ist vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere Polyethylen, hergestellt. Die Deckfolie 4 ist wahlweise einschichtig oder mehrschichtig aufgebaut. Dies hängt von den jeweiligen Anwendungszwecken und Anforderungen ab.
  • Insbesondere handelt es sich bei der Deckfolie 4 um eine sogenannte Heißsiegelfolie, die üblicherweise eine Beschichtung aus Siegellack oder dergleichen, aufweist.
  • Je nach Bedarf kann die Deckfolie 4 auch mehrere dreidimensional geformte oder gewölbte Kammerwände 6 verschiedener Kammern 5 bilden.
  • Wie bereits erwähnt, kann die Deckfolie 4 auch eine sonstige fluidische Struktur im oder am Träger 3 abdecken oder bilden, wie eine Ausnehmung, eine Vertiefung, eine Durchbrechung, eine Nut oder den ersten Kanal 9.

Claims (20)

  1. Vorrichtung (1) zur Aufnahme oder Manipulation eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit (2), mit einem Träger (3), einer Deckfolie (4) und einer zwischen dem Träger (3) und der Deckfolie (4) gebildeten, insbesondere kanalförmigen Kammer (5), dadurch gekennzeichnet, daß die ursprünglich flache und/oder nicht vorgeformte Deckfolie (4) auf den Träger (3) auflaminiert ist und eine allein durch das Auflaminieren dreidimensional geformte oder gewölbte Kammerwand (6) bildet, die die Kammer (5) partiell begrenzt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (3) aus Kunststoff, insbesondere Polystyrol oder Polycarbonat, hergestellt ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (3) plattenförmig, flach und/oder eben ausgebildet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckfolie (4) auf eine Flachseite (F) des Trägers (3) laminiert ist.
  5. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckfolie (4) aus Kunststoff, insbesondere Polyethylen, hergestellt ist.
  6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckfolie (4) einschichtig oder mehrschichtig aufgebaut ist.
  7. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckfolie (4) eine Heißsiegelfolie, insbesondere mit einer Beschichtung aus Siegellack, ist.
  8. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckfolie (4) mehrere dreidimensional geformte oder gewölbte Kammerwände (6) verschiedener Kammern (5) bildet.
  9. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (3) mindestens eine fluidische Struktur, wie eine Ausnehmung, eine Vertiefung, eine Durchbrechung, eine Nut oder einen Kanal (9), aufweist oder bildet, die von der Deckfolie (4) insbesondere flach mit abgedeckt ist.
  10. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammerwand (6) und damit die Kammer (5) elastisch oder reversibel verformbar sind.
  11. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (5) und die Kammerwand (6) länglich und/oder wulstartig ausgebildet sind, insbesondere wobei die Kammerwand (6) quer zur Längserstreckung der Kammer (5) und/oder halbrund gewölbt ist.
  12. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (1) mit der Kammer (5) ein Ventil bildet, insbesondere wobei die Kammer (5) mittels eines Elements (13) unter Verformung der Kammerwand (6) zumindest abschnittsweise zusammendrückbar oder -quetschbar ist.
  13. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (1) als Pumpe ausgebildet ist, wobei die Kammer (5) einen deformierbaren Pumpraum bildet.
  14. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (1) als Mischeinrichtung ausgebildet ist, wobei die Kammer (5) einen Mischraum bildet.
  15. Verfahren zur Herstellung einer insbesondere nach einem der voranstehenden Ansprüche ausgebildeten Vorrichtung (1), wobei eine flache und/oder nicht vorgeformte oder strukturierte Deckfolie (4) auf einen Träger (3) laminiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Laminieren eine Maske (7) mit mindestens einer Ausnehmung oder Durchbrechung (8) auf die Deckfolie (4) unter Hitzeeinwirkung gepreßt wird, so daß ausschließlich hierdurch die Deckfolie (4) im Bereich der Ausnehmung oder Durchbrechung (8) nicht mit dem Träger (3) verbunden, sondern dreidimensional geformt oder strukturiert wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine flache und/oder plattenförmige Maske (7) verwendet wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Maske (7) aus Metall, insbesondere Blech, verwendet wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckfolie (4) auf eine Flachseite (F) des Trägers (3) laminiert wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckfolie (4) mittels eines Rollenlaminators auf den Träger (3) laminiert wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckfolie (4) mittels eines Stempellaminators auf den Träger (3) laminiert wird.
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