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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine modulare mikrofluidische
Funktionsplattform und deren Verwendung.
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Modulare
mikrofluidische Funktionsplattformen (nachfolgend alternativ auch
als mikrofluidische Bausteine und/oder als mikrofluidische Systeme
bezeichnet) sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt: Aktuell
sind von verschiedenen Herstellern mikrofluidische Bausteine und
Systeme auf dem Markt. Die einzelnen Ansätze der völligen Modularität scheitern
generell am Aufbau und der notwendigen Verbindungstechnik. Viele
Bausteine werden einzeln betrieben, Plattformen haben eine Größenbeschränkung und
sind nicht voll flexibel erweiterbar.
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Aus
dem Stand der Technik (
DE
695 27 613 T2 ) ist ein modulares Mehrkomponentensystem
mit auswechselbaren Mikroreaktoren bekannt. Hierbei können Chips
mit Befestigungsmitteln in Form von Nadeln auf einer Zusammenbauplatte,
welche Kanäle
beinhaltet, befestigt werden. Dabei können O-Ringe als Dichtungselemente
vorgesehen sein, um die Verbindungen abzudichten.
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Zudem
kennt der Stand der Technik in
DE 202 01 753 U1 eine Vielzahl unterschiedlicher
Verbindungstechniken wie Schnapphaken, Bajonettverschlüssen, Magnetverbindungen
usw., um einzelne Elemente aneinander zu fixieren. In dieser Offenbarung
sind fluiddichte Verbindungen zwischen mehreren Elementen mit Hilfe
von Schraubverbindungen realisiert.
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Weiterhin
offenbart die
WO 97/44132
A1 eine Mikro-Fluidhandhabungsstruktur,
in der verschiedene Platten mit Durchgangslöchern und Durchgangskanälen übereinander
angeordnet sind. Die Befestigung der einzelnen Platten geschieht
mittels einführbarer
Stäbe und
einer Federhalterung. Zur Ausbildung von Durchgangskanälen können dabei
in den Platten Vertiefungen angeordnet sein, die in Form einer ringförmigen Struktur
um einen Durchgangskanal ausgebildet sind. In die ringförmigen Vertiefungen
können
O-Ringe eingesetzt werden.
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Die
GB 2 421 202 A zeigt
eine mikrofluidische Plattform, bei der mehrere Platten übereinander angeordnet
werden, zwischen denen Fluidübergänge möglich sind.
Auch diese Druckschrift zeigt Vertiefungen um Durchgangskanäle, in die
O-Dichtungsringe eingelegt werden können.
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Die
Einsatzgebiete von modularen mikrofluidischen Entwicklungsplattformen
sind dabei vielfältig:
Für die
Entwicklung von hochintegrierten mikrofluidischen Analysechips für die allgemeine
medizinische Diagnostik ist ein hoher Forschungs- und Entwicklungsaufwand
der einzelnen mikrofluidischen Funktionsstrukturen notwendig. Diese
Entwicklung würde
vereinfacht, wenn die Funktionen wie Mischen, Separieren, Detektieren,
Fördern,
... vereinzelt und auf unterschiedlichen Modulen abgebildet werden
könnten.
Die einzelnen Module könnten
dann beliebig zu verschiedensten Prozessen zusammengefügt werden.
Abläufe
wären durch
die Modularität schnell änderbar.
Die so entwickelten und optimierten Prozesse einschließlich der
mikrofluidischen Abläufe
könnten
im Anschluss daran auf einen Einmalchip übertragen werden. Durch eine
unbegrenzte Modularität
könnte
jeglicher erdenkliche Prozess abgebildet werden. Die mikrofluidische
Entwicklungsplattform würde
dann nicht das Entwicklungspotential wie vorhandene Systeme, die
eine begrenzte Erweiterbarkeit aufweisen, limitieren.
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Ein
hoher Bedarf einer modularen mikrofluidischen Entwicklungsplattform
besteht auch in der Mikroreaktionstechnik. Wirkstoffentwicklungen
werden in der Forschung im Bereich einiger weniger Milliliter an
teuren Reagenzien realisiert, da meist nur einige wenige Mikroliter
benötigt
werden. Auch hier fehlt eine modulare mikrofluidische Entwicklungsplattform,
durch die alle erdenklichen Prozesse schnell aufgebaut und getestet
werden könnten.
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Bei
allen vorhandenen mikrofluidischen Plattformen des Standes der Technik
stellt die Verbindungstechnik der einzelnen Module untereinander ein
großes
Problem dar. Verbindungstechniken müssten so gelöst werden,
dass keine Flüssigkeit aus
dem System nach außen dringen
kann, es dürften
keine Totvolumina und Lumendifferenzen vorhanden sein und keine
Wechselwirkungen an der Schnittstelle auftreten. Derzeit werden
hinsichtlich dieser Forderungen aber mangelhafte Verbindungstechniken
angeboten, welche generell Kontakt zum Dichtmedium haben. Am Übergang
können
durch Kontakt zum dichtenden Elastomer Wechselwirkungen auftreten
(Antikörperbindungen
etc.). Zudem sind die Wegstrecken aufgrund der derzeit eingesetzten
Verbindungstechniken in fluidischen Plattformen sehr groß. Diese
Wegstrecken müssten
auf ein Minimum reduziert werden, so dass bereits der Einsatz geringster
Mengen an Reagenzien ausreichen würde, um zufriendenstellende
Ergebnisse zu bekommen. Ebenfalls gewünscht sind in der Mikroreaktionstechnik
hohe Drücke
bei gleichzeitiger Transparenz.
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Bei
verfügbaren
Plattformen des Standes der Technik sind die Funktionselemente zum
Teil hoch integriert und sehr komplex und dadurch sehr teuer, so
dass die erforderliche Flexibilität für die mikrofluidische Entwicklung
nicht gewährleistet
ist. Auch sind die verwendeten Schnittstellen der verfügbaren fluidischen
Plattformen für
die Handhabung kleinster Flüssigkeitsmengen
ungeeignet (Lumendifferenz, zum Teil nicht totraumfrei, generell
Kontakt zum Dichtmaterial). Eine ständige Erweitung auf andere
Komponenten, die als Entwicklungsbasis für spätere mikrofluidische Einmalanalysechips
dienen, ist bei den bestehenden Plattformen nicht möglich.
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Größtes Problem
bei den aus dem Stand der Technik bekannten Funktionsplattformen
stellt die Verbindungstechnik dar. Bestehende Plattformen weisen
Verbindungstechniken auf bei denen lange Strecken durchströmt werden
müssen,
bevor eine Flüssigkeit
von ei nem ins nächste
Modul gelangt. Alle vorhandenen Plattformen weisen an den fluidischen Verbindungen
der einzelnen Bausteine ein Kontakt des Mediums zum Dichtungsmaterial
auf. Dabei entstehen oft unerwünschte
Wechselwirkungen (Antikörperbindung,
etc.).
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Die
vorhandenen Plattformen können
nicht beliebig erweitert bzw. ergänzt werden, da die Plattformen
keine unbegrenzte Erweiterungsmöglichkeit bieten.
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Ausgehend
vom Stand der Technik ist es somit die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine modulare mikrofluidische Funktionsplattform zur
Verfügung
zu stellen, welche die vorstehend dargestellten Nachteile des Standes
der Technik vermeidet, welche insbesondere einen variablen Aufbau,
der modular beliebig erweiterbar ist, ermöglicht, welche es erlaubt,
beliebige Prozesse aus der Verfahrenstechnik zu realisieren und
welche eine Verbindungstechnik zur Verfügung stellt, die nicht nur
eine absolute Dichtheit gewährleistet,
sondern die auch einen Kontakt des flüssigen Mediums zum Dichtmaterial
vermeidet.
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Im
Rahmen der Aufgabenstellung sind insbesondere die folgenden Aspekte
zu verwirklichen:
- • Realisierung eines variablen
Aufbaus. Definierte Schnittstellen auf der Plattform müssen zu
den Schnittstellen der Module passen. Der Baukasten muss in horizontaler
und vertikaler Richtung beliebig skalierbar sein.
- • Alle
erdenklichen Prozesse aus der Verfahrenstechnik müssen realisierbar
sein.
- • Eine
Verbindungstechnik, die gewährleistet, dass
sie absolut dicht ist, kein Kontakt des flüssigen Mediums zum Dichtungsmaterial
besteht (wegen Wech selwirkungen wir Antikörperbindung) und keine Totvolumina
und Lumendifferenzen zwischen den Modulen aufweist, muss realisiert
werden.
- • Die
Verbindungstechnik muss des Weiteren auch druckstabil sein, so dass
Prozesse auf der Plattform aufgebaut werden können, die nur bei höheren Drücken laufen.
- • Geeignete
Schnittstellen zu vorhandenen fluidischen Verbindungstechniken müssen realisiert werden.
- • Jeweils
eine Funktion pro Baustein ermöglicht ein
gezieltes Zusammenstellen fluidischer Prozesse und schnelles Optimieren
einzelner Strukturen, daher sollten die einzelnen Bausteine vorteilhafterweise
so realisiert werden.
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Die
vorstehende Aufgabe wird durch eine modulare mikrofluidische Funktionsplattform
gemäß Anspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten der modularen mikrofluidischen
Funktionsplattform sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäße Verwendungen
lassen sich dem Patentanspruch 22 entnehmen.
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Nachfolgend
wird die modulare mikrofluidische Funktionsplattform nun zunächst generell
beschrieben. Dem schließen
sich einzelne Ausführungsbeispiele
an.
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Die
modulare mikrofluidische Funktionsplattform ist so aufgebaut, dass
sie einen mehrschichtigen Aufbau von mindestens zwei verschiedenen Ebenen
umfasst: Als erste Ebene die Fluidebene, welche mindestens eines,
vorteilhafterweise eine Mehrzahl von bevorzugt plattenförmig ausgebildeten Fluidelementen
(nachfolgend auch als Fluidmodule oder Plattenstücke bezeichnet) aufweist und
als zweite Ebene die Funktionsebene, welche mindestens ein Funktionselement
(bevorzugt eine Vielzahl von Funktionselementen) aufweist. Die Funktionselemente
sind dabei auf den einzelnen Elementen (Fluidelementen) der Fluidebene
angeordnet. Die genaue Ausbildung dieser Anordnung sowie der einzelnen
Fluidelemente und Funktionselemente wird nachfolgend noch ausführlich beschrieben.
Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße modulare mikrofluidische
Funktionsplattform darüberhinaus noch
eine dritte Ebene auf, die Basisebene: Die einzelnen Fluidelemente
sind auf dieser Basisebene angeordnet, wobei die Basisebene beispielsweise
aus einem Basiselement gebildet wird (auch hier sind jedoch mehrere
Basiselemente denkbar). Vorteilhafterweise sind im Rahmen des erfindungsgemäßen Dreiebenenaufbaus
somit auf dem Basiselement mehrere Fluidelemente angeordnet und
auf diesen mehreren Fluidelementen wiederum mehrere Funktionselemente.
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Zudem
weist die erfindungsgemäße Funktionsplattform
einen Befestigungsabschnitt auf, der als ein Teil einer Magnetverbindung
ausgebildet ist. Dies wird nachfolgend noch näher beschrieben.
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Die
einzelnen Funktionselemente können dabei
vorteilhafterweise zumindest teilweise aus Glas bestehen, es sind
jedoch auch andere Materialien verwendbar (beispielsweise insbesondere
transparente Kunststoffe).
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Auch
die Elemente der Fluidebene (Fluidelemente) sind vorteilhafterweise
zumindest teilweise in Glas realisiert (Glasplattenstücke oder ähnliches) oder
aus transparentem Kunststoff. Bei der Basisebene kann es sich vorteilhafterweise
um eine Kunststoffplatte oder um eine Metallplatte handeln, welche letztlich
als Trägerplatte
für die
Fluidebene und die Funktionsebene dient.
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Die
einzelnen Fluidelemente weisen aus ihrer Oberseite ausmündende bzw.
in ihre Oberfläche einmündende Fluidaustrittsabschnitte
bzw. Fluideintrittsabschnitte auf. In den Fluidelementen sind Fluidzufuhrbereiche
ausgebildet, mit welchen ein Fluid (untersuchende Lösung oder ähnliches)
den Fluidaustrittsabschnitten zuführbar ist. Seitlich versetzt zu
den Fluidaustrittsabschnitten bzw. zu den Fluideintrittsabschnitten
sind erste Befestigungsabschnitte in der Oberseite der Fluidelemente
ausgebildet bzw. in die Fluidelemente integriert.
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In
ihrer räumlichen
Positionierung angepasst an die Fluidaustrittsabschnitte bzw. die
Fluideintrittsabschnitte der Fluidelemente sind in der Unterseite der
Funktionselemente ebenfalls Fluideintrittsabschnitte bzw. Fluidaustrittsabschnitte
angeordnet. Auch hier befinden sich Befestigungsabschnitte (zweite
Befestigungsabschnitte) in den Funktionselementen, welche in der
Unterseite der Funktionselemente ausgebildet sind.
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Die
Funktionselemente sind vorteilhafterweise darüberhinaus jeweils mit zumindest
einem Fluidfunktionsbereich versehen: Unter einem Fluidfunktionsbereich
wird nachfolgend ein Bereich verstanden, dem ein Fluid zuführbar ist,
um auf irgendeine erdenkliche Art und Weise in diesem Funktionsbereich bearbeitet
oder verarbeitet zu werden. Unter einer Bearbeitung bzw. Verarbeitung
kann hier auch ein einfaches Durchflie ßen des Fluids verstanden werden;
der Fluidfunktionsbereich kann somit als ein einfacher Durchflussbereich
ausgestaltet sein. In der Regel wird ein Fluidfunktionsbereich jedoch
so ausgestaltet sein, dass in ihm z. B. mehrere Fluide zusammen
vermischt werden, dass ein Fluid in mehrere Bestandteile aufgespaltet
wird, dass dem Fluid Energie zugeführt wird, usw.
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Wenn
nachfolgend von einem Fluidzufuhrbereich (innerhalb eines Fluidelements)
gesprochen wird, so kann es sich hierbei um einen einfachen Zuführabschnitt
in Form eines Kanals oder ähnliches handeln,
es kann sich jedoch auch um eine komplexere Struktur, welche beispielsweise
einen Vorratsbehälter
und/oder eine Pumpe aufweisen kann, handeln.
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Wird
nachfolgend von einer Verbindung gesprochen, so ist in der Regel
eine Verbindung zwischen zwei Elementen gemeint, welche es einem Fluid
ermöglicht,
von einem Element zum anderen Element transportiert zu werden (abgedichtete
Kanalstruktur zwischen den beiden Elementen oder ähnliches).
Es kann jedoch auch gemeint sein, dass zwei verschiedene Elemente
beispielsweise mit Hilfe einer Klebeschicht fest verbunden sind.
Was im Einzelfall jeweils gemeint ist, erschließt sich dem Fachmann unmittelbar
aus dem jeweiligen Zusammenhang.
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Vorteilhafterweise
sind nun die Fluidaustrittsabschnitte und/oder die Fluideintrittsabschnitte
des bzw. der Fluidelemente/es bzw. des oder der Funktionselemente/es
mit einem Vertiefungsbereich versehen. Dieser Vertiefungsbereich
wird nachfolgend auch als erster Vertiefungsbereich bezeichnet,
wenn er in einem Fluidelement ausgebildet ist und als zweiter Vertiefungsbereich,
wenn er in einem Funktionselement ausgebildet ist. Die Vertiefungsbereiche
sind so ausgebildet, dass sie den jeweiligen Fluideintritts- bzw. Fluidaustrittsabschnitt
(welcher im wesentlichen kanalförmig
ausgebildet ist und vorteilhafterweise senkrecht aus der Oberfläche des
jeweiligen Elements ausmündet
bzw. in dieses einmündet)
vollständig,
also entlang des gesamten Umfangs umgeben. So kann beispielsweise
die Ausmündung
eines Fluidaustrittsabschnitts in Bezug auf die Oberseite eines
Fluidelements mit einem den Vertiefungsbereich ausbildenden stufenförmigen Absatz
versehen sein, welcher einen größeren Durchmesser
aufweist, als der Durchmesser des Austrittskanals.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist ein solcher
Vertiefungsbereich um einen Fluideintritts- bzw. Austrittsabschnitt
so ausgebildet, dass an seiner Innenseite (also zum Zentrum des
Ein- bzw. Austrittskanals
hin) ein gratförmiger Wandabschnitt über den
gesamten Umfang des Kanals erhalten bleibt.
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Ein
erfindungsgemäßer Vertiefungsbereich ist
so ausgebildet, dass in ihn ein z. B. ringförmiges Dichtelement (beispielsweise
ein Gummiring) eingelegt werden kann. Die Ausdehnung eines solchen Dichtelements
in Richtung der Kanallängsachse
bzw. senkrecht zur Oberfläche
des Fluidelements bzw. Funktionselements ist vorteilhafterweise
größer als die
Ausdehnung des Vertiefungsbereichs in Richtung der Kanallängsachse:
Wird somit ein solches Dichtelement in einen Vertiefungsbereich
eingelegt, so steht es über
diejenige Oberfläche,
in die der Vertiefungsbereich eingelassen ist, über.
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Wird
dann wie nachfolgend noch ausführlich beschrie ben,
mit Hilfe von in einem Fluidelement und in einem darauf anzuordnenden
Funktionselement angeordneten Befestigungsabschnitten (beispielsweise
Bohrungen für
Schrauben oder ähnliches)
das Funktionselement auf das Fluidelement gepresst, so wird das
Dichtelement in dem Vertiefungsbereich solange zusammengedrückt, bis
die Unterseite des Funktionselements formschlüssig angrenzend an der Oberseite
des Fluidelements angeordnet ist: Durch das somit zwischen Fluidelement
und Funktionselement gepresste Dichtelement wird ein abdichtend verpresster
Fluiddurchgang vom Fluidelement in das Funktionselement durch einen
Fluidaustrittsabschnitt des Fluidelements, einen Fluideintrittsabschnitt
des Funktionselements (oder umgekehrt) und das Dichtelement ausgebildet.
Wird die vorteilhafte Ausgestaltungsvariante mit im Innenbereich
des Vertiefungsbereichs verbliebenen gratförmigen Wandabschnitten realisiert,
so wird, da zusätzlich
die Unterseite des Funktionselements auf dem gratförmigen Wandabschnitt
des Vertiefungsbereichs des Fluidelements aufgesetzt wird (oder
umgekehrt) ein Dichtbereich ausgebildet, bei dem verhindert wird,
dass das eigentliche Dichtelement in Kontakt mit einem durch den
Fluiddurchgang durchfließendes
Fluid gerät.
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Vorteilhafterweise
werden die Befestigungsabschnitte, welche in den Fluidelementen
und den Funktionselementen seitlich beabstandet von den Fluideintritts-
bzw. Fluidaustrittsabschnitten eingebracht sind, so ausgestaltet,
dass der im Fluidelement angeordnete Befestigungsabschnittsteil
(erster Befestigungsabschnitt) vollständig durch das Fluidelement
senkrecht zur Plattenebene bzw. dessen Oberseite hindurchgeht. Unterhalb
des Fluidelements kann dann vorteilhafterweise die Basisplatte der
Basisebene so angeordnet werden, dass in ihrer Oberseite ebenfalls
ein Befestigungsabschnitt ausgebildet wird: Mit Hilfe einer Schraube
oder ähnlichem
kann dann das Funktionselement mit dem Fluidelement und der darunter
angeordneten Basisplatte verschraubt werden. So kann auf konstruktiv
einfache Art und Weise die zur Ausbildung des erfindungsgemäßen, abdichtend
verpressten Fluiddurchgangs notwendige Presskraft zwischen Fluidelement und
Funktionselement realisiert werden.
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Die
vorteilhafte Basisebene dient als Träger und Fixierungsplatte für die Fluidebene
und die Funktionsebene. Sie kann in allen erdenklichen Größen gefertigt
werden. Eine Erweiterung durch weitere Trägerplatten nach allen Seiten,
ist durch eine geeignete Fixierung ebenfalls möglich (z. B. durch Stecken oder
Schrauben). Auf sie werden zuerst die Plattenstücke der Fluidebene, auf die
Plattenstücke
der Fluidebene wiederum die einzelnen Module der Funktionsebene
angedockt. Die Fluidebene besteht vorteilhafterweise selbst wiederum
aus drei verschiedenen (Glas-)plattenstücken: Boden, Mittelstück und Deckel.
Die verschiedenen (Glas-)plattenstücke sind vorteilhaft, damit
die Größe von der
Plattform selbst bestimmt werden kann (voll modularer 2D/3D Baukasten)
und die Fluidebene zu allen Seiten hin abgeschlossen werden kann.
Auf den Plattenstücken
der Fluidebene sind ringförmige
Vertiefungen. In diese Vertiefungen werden O-Ringe eingelegt um
die Dichtwirkung zwischen den Modulen der Funktionsebene und der
Fluidebene sicher zu stellen. Die O-Ringe werden durch das zum (Glas-)plattenstück der Funktionsebene
(bzw. der Fluidebene) überstehende
(Glas-)zylinderstück
der Fluidebene (bzw. der Funktionsebene) zentriert und dichten durch
Pressung des jeweiligen Moduls der Funktionsebene auf die Fluidebene
zuverlässig
ab. Bei aus reichendem Anpressdruck der Module hat durch diese Konstruktion
das Fluid keinen direkten Kontakt zur Dichtung mehr. Die Pressung
der Funktionsmodule auf die Plattenstücke der Fluidebene kann durch
jegliche mechanische Verbindungstechnik erfolgen: Schraubverbindung,
Klickverbindung, magnetische Verbindung, ... und erfolgt erfindungsgemäß so, dass
mindestens einer der Befestigungsabschnitte als ein Teil einer Magnetverbindung
ausgebildet ist. Der O-Ring als Einzelteil kann beispielsweise auch
durch eine in die Fluidebene eindispensde Elastomerschicht ersetzt
werden.
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Sowohl
die Module der Funktionsebene wie auch die Glasplattenstücke der
Fluidebene sind vorteilhafterweise selbst wiederum aus drei verschiedenen
Schichten aufgebaut (Deckel, Mittelschicht, Boden); Grund hierfür ist die
eingesetzte Fertigungstechnik (nasschemisches Ätzen und anschließendes Zusammenbonden
der drei verschiedenen Schichten). Die Mittelschicht ist dann vorteilhafterweise
(siehe nachfolgend) als Fluidzufuhrbereich bzw. als Fluidfunktionsbereich
ausgebildet. Die Module können aus
allen erdenklichen Materialien sein (je nach Anforderung aus dem
eingesetzten Bereich). Auch ist man nicht an den Schichtaufbau aus
genau drei Einzelschichten gebunden.
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Gegenüber den
aus dem Stand der Technik bekannten mikrofluidischen Funktionsplattformen weist
die erfindungsgemäße modulare
mikrofluidische Funktionsplattform eine Reihe erheblicher Vorteile
auf:
- • Durch
den Mehrschichtaufbau mit Funktionsebene und Fluidebene und vorteilhafterweise
auch mit Basisebene (vorteilhafterweise sind also drei verschiedene
Ebenen oder auch mehr möglich) und
die Auslegung der Schnitt- bzw. Verbindungsstellen (direktes flächiges Aufeinanderpressen oder
auch Vertie fungsbereiche in der Fluidebene und/oder der Funktionsebene
bzw. in den Fluidelementen und/oder den Funktionselementen, in die
Dichtelemente einlegbar sind und die vorteilhafterweise in Richtung
senkrecht zur Kanalaustrittsrichtung bzw. -eintrittsrichtung nach
beiden Seiten hin durch Wände
abgeschlossen sind) besteht kein Kontakt an der fluidischen Schnittstelle zum
einen dichtenden Elastomer. Beim Dreischichtaufbau dient die Trägerplatte
der Basisebene als mechanischer Träger und die Mittelschicht bzw.
die Plattenstücke
der Fluidebene dienen als Fluidelemente, über die die Flüssigkeit von
einem zum nächsten
Modul gelangt. In der Funktionsebene werden dann die einzelnen Funktionsbausteine
realisiert.
- • Es
lässt sich
somit eine absolut totraumfreie Verbindungstechnik ohne Lumendifferenz
bei gleichzeitigem Übergang
des Fluids von der Fluidebene in die Funktionsebene ohne Kontakt
zum dichtenden Elastomer verwirklichen. Dies ist beispielsweise
in der Analytik von großem
Vorteil und führt diesbezüglich zu
schärferen
Analyseergebnissen. Durch verschiedene Möglichkeiten von mechanischen
Verbindungen (Schraub-, Klick-, Klebe- oder insbesondere die erfindungsgemäße magnetische
Verbindungstechniken) in Verbindung mit der gewählten Abdichttechnik, beispielsweise dem
Dichtmedium, das eingelegt (jedoch auch eingespritzt oder eindispenst)
werden kann, lassen sich sehr stabile Verbindungen mit Dichtwirkung
zwischen den einzelnen Modulen der Funktionsebene und den Plattenstücken der
Fluidebene erzielen. Durch die so realisierte Verbindungstechnik
lassen sich auch kurze Wege des Fluids erzielen.
- • Die
erfindungsgemäße Realisierung
ermöglicht eine
sehr druckstabile Verbindungstechnik (über 20 bar sind realisierbar),
so dass das System in der Mikroreaktionstechnik eingesetzt werden kann
und mit beispielsweise HPLC-Geräten
oder Chromatographie pumpen extern verbunden werden kann.
- • Aufgrund
der Modularität
können
verschiedenste Prozesse auf der Entwicklungsplattform aufgebaut
und getestet werden: Die Entwicklungsplattform ist beliebig erweiterbar,
sowohl von der Größe wie auch
von den einsetzbaren funktionellen Strukturen der Funktionsebene.
Auch ist die Plattform beliebig vertikal (senkrecht zur Plattenebene)
und horizontal (in der Plattenebene) mit weiteren Modulen und Plattenstücken erweiterbar. Funktionen,
die noch nicht als Modul vorliegen, können somit auf einfache Art
und Weise entwickelt und auf der Plattform integriert werden. Nach einer
Prüfung
der Prozesse können
diese Prozesse schnell und effizient aufgrund der aus dem erfindungsgemäßen modularen
mikrofluidischen Funktionsplattformsystem gewonnenen Erkenntnisse
auf einen Einmalchip übertragen
werden. Zudem ist die Plattform einfach zu bedienen. Dadurch ist
keine lange und aufwendige Einarbeitungszeit notwendig und die Plattform
kann gezielt in der Lehre oder Ausbildung eingesetzt werden.
- • Die
aus den Modulen der Funktionsebene und der Fluidebene (sowie vorteilhafterweise
auch der Basisebene) bestehende Entwicklungsplattform ist so ausgebildet,
dass die Module und auch die Plattenstücke, welche Kontakt zum Fluid
bzw. der Flüssigkeit
haben, einfach reinigbar, desinfizierbar und sterilisierbar sind,
sofern als Material der einzelnen Module Glas eingesetzt wird bzw.
ein anderes Material mit ähnlichen
Eigenschaften. Insbesondere bei Glas können auch aggressive Detergenzien
wie Aceton eingesetzt werden. Die Module und Plattenstücke und
die Trägerplatte sind
mehrfach verwendbar, es können
jedoch insbesondere auch Funktionsmodule explizit nur für eine Einmalanwen dung
konzipiert werden.
- • Vorteilhafterweise
werden die einzelnen Module der Funktionsebene und der Fluidebene
transparent ausgebildet (auch die Plattform der Basisebene kann
so ausgebildet sein). Die ablaufenden Prozesse können so visuell verfolgt werden.
Hierbei kann Glas auch durch ein anderes durchsichtiges Material
ersetzt werden (beispielsweise transparente Kunststoffe wie Plexiglas®,
Makrolon®,
insbesondere aus Polymethylmethacrylat), sofern die Applikation
dies erfordert. Somit ist eine Durchsichtigkeit der mikrofluidischen
Entwicklungsplattform bei gleichzeitig hohen Drücken im System realisierbar.
Es können
jedoch auch nicht-durchsichtige Materialien, wie beispielsweise
Aluminium, verwendet werden.
- • Es
ergibt sich eine praktisch endlose Erweiterbarkeit der mikrofluidischen
Entwicklungsplattform ohne Änderung
des Fluidübergangs.
- • Durch
die erfindungsgemäße Kombination
unterschiedlichster Module ist ein Aufbau aller erdenklichen Abläufe möglich. In
der Produktion ist sowohl ein geringerer Einsatz an teuren Reagenzien,
wie auch ein Verzicht auf mehrere, verschiedene Geräte die Folge.
Kosten lassen sich auf diese Weise erheblich reduzieren. Durch die
volle Flexibilität
der Entwicklungsplattform kann diese auch in anderen Bereichen der
Analytik eingesetzt werden. Hier ersetzt die Entwicklungsplattform
hoch spezifische Geräte
und Verfahren, durch die Proben aufgeschlossen und untersucht werden
können.
Desweiteren ist mit der hier vorgestellten erfindungsgemäßen modularen
mikrofluidischen Entwicklungsplattform die Möglichkeit gegeben, existierende
externe Geräte
der Analytik und des Fluidhandlings anzuschließen.
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Die
erfindungsgemäße modulare
mikrofluidische Funktionsplattform lässt sich in folgenden Bereichen
einsetzen:
- • medizinische
Analytik
- • Medikamentenentwicklung
- • Mikroreaktionstechnik
- • Lebensmittelanalytik
- • Umweltanalytik
- • Lehre
und Ausbildung
- • Entwicklungsplattform
für mikrofluidische
Einmalchips
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Nachfolgend
wird nun die modulare mikrofluidische Funktionsplattform anhand
einer Reihe von einzelnen Ausführungsbeispielen
beschrieben.
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Hierzu
zeigt
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel,
welches dazu dient, die wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung
darzustellen.
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2 eine
konkrete Realisierung der Plattform in einer dreidimensionalen Ansicht
in einem Ausschnitt.
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3 die
Realisierung von 2 als Aufsicht.
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4 die
erfindungsgemäße Realisierung eines
dreischichtigen Fluidelements.
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5 bis 10 verschiedene
Realisierungen von dreischichtigen Funktionselementen.
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1 zeigt
das Prinzip einer erfindungsgemäßen modularen
mikrofluidischen Funktionsplattform.
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Basis
der Plattform bildet das in Form einer ebenen Kunststoffplatte (Makrolon®,
Plexiglas®)
ausgebildete Basiselement 4. Angrenzend an das Basiselement 4 und
auf diesem sind zwei Fluidelemente 11a und 11b nebeneinander
versetzt und angrenzend aneinander angeordnet. Unmittelbar angrenzend
an das erste Fluidelement 11a und auf diesem ist ein erstes
Funktionselement 2a angeordnet. Unmittelbar angrenzend
an die beiden Fluidelemente 11a, 11b und auf diesen
ist ein zweites Funktionselement 2b angeordnet. Unmittelbar
angrenzend an das zweite Fluidelement 11b und auf diesem
ist ein drittes Funktionselement 2c angeordnet.
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Die
einzelnen vorbeschriebenen Elemente sind wie folgt aneinander befestigt:
Auf der oberen Seite BO der Basisplatte 4 sind Basisbefestigungsabschnitte
BB in Form von Schraubgewinden in die Platte 4 eingebracht.
Die beiden Fluidelemente 11a und 11b weisen auf
ihren oberen Plattenflächen (Oberseite
O) eine Mehrzahl von in die Oberseite O eingebrachten ersten Befestigungsabschnitten 1B (1B1, 1B2)
auf. An der Unterseite bzw. unteren Plattenfläche der Fluidelemente 11a und 11b sind
mehrere unterseitige Befestigungsabschnitte UB ausgebildet. Der
links im Bild erkennbare erste Befestigungsabschnitt 1B1 bildet
hier zusammen mit dem ihm auf der Unterseite des Elements 11a gegenüberliegenden
unteren Befestigungsabschnitt UB eine vollständig durch das Element 11a senkrecht
zur Plattenebene hindurchgehende Gewindebohrung zur Aufnahme einer
Schraube S1 aus.
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Mit
Hilfe der ersten Befestigungsabschnitte 1B1 und 1B2 wird
das auf dem Fluidelement 11a angeordnete Funktionselement 2a wie
folgt am Fluidelement 11a befestigt: In der unteren Plattenseite
U des Funktionselements 2a sind zwei zweite Befestigungsabschnitte 2B1 und 2B2 den
ersten Befestigungsabschnitten 1B1 und 1B2 gegenüberliegend im
selben Abstand so angeordnet, dass vollständig durch das Funktionselement 2a und
das darunterliegende Fluidelement 11a durchgehende und
in das unter dem Element 11a angeordnete Basiselement 4 hineinreichende
Gewindebohrungen als Durchgangsbefestigungsabschnitte ausgebildet
sind. In diesen Durchgangsbefestigungsabschnitten sind Schrauben
S1 und S2 eingebracht, mit welcher wie nachfolgend noch näher beschrieben,
eine abdichtende Verpressung des Fluidelements 11a und
des Funktionselements 2a sichergestellt wird und mit der die
beiden Elemente 11a, 2a auf der Basisplatte 4 befestigt
werden.
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Die
Funktionselemente 2b und 2c sind in gleicher Wiese
auf den Fluidelementen 11a und 11b und der Basisplatte 4 befestigt.
Dabei werden also die jeweilig benachbarten Flächen unmittelbar und abdichtend
aufeinander gepresst (Platte an Platte bzw. Stoß an Stoß).
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Durch
die vorbeschriebene abdichtende Verpressung der beiden Elemente 11a und 2a mittels
der ersten und der zweiten Befestigungsabschnitte werden nun wie
nachfolgend beschrieben ein abdichtend verpresster Fluiddurchgang
D vom Fluidelement 11a in das Funktionselement 2a und
fluidstromabwärts davon
in umgekehrter Richtung ein abdichtend verpresster Fluiddurchgang
vom Element 2a zurück
in das Element 11a realisiert: Anschließend erfolgt ein Übergang Ü des Fluids
vom ersten Fluidelement 11a in das benachbart dazu angeordnete
zweite Fluidelement 11b über das Funktions element 2b,
dem sich dann weitere Fluidübergänge zwischen
dem Fluidelement 11b und dem darauf verpresst angeordneten Funktionselement 2c anschließen. Nachfolgend
werden nun der Stromweg des Fluids und die dabei von ihm durchflossenen
einzelnen Abschnitte, insbesondere die Fluiddurchgänge D bzw.
der Übergang Ü, geschildert.
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Im
ersten Fluidelement 11a ist eine erste Fluidzufuhr Z1 ausgebildet.
Durch diese wird das Fluid in Richtung des ersten zwischen dem Element 11a und dem
Element 2a ausgebildeten Fluiddurchgangs D getrieben. Wird
nun das obenliegende Funktionselement 2a durch die Kraft
der Schraube S1 durch Anziehen der Schraube S1 mit seiner Unterseite
U gegen die Oberseite O des Fluidelements 11a gedrückt, so
wird ein abdichtend verpresster Fluiddurchgang D zwischen dem Fluidelement 11a und
dem Funktionselement 2a realisiert.
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Nach
dem Eintritt in das Funktionselement 2a über den
in der Unterseite U des Elements 2a eingebrachten, im Querschnitt
kreisförmigen
Fluideintrittskanal 2E (welcher senkrecht zur Unterseite
U in das Element 2a einmündet und dessen Wandungsabschnitte
durch die Schraubenkraft S1 auf die Oberfläche O gedrückt werden) fließt das Fluid
durch einen im Inneren des Funktionselements 2a angeordneten
ersten Fluidfunktionsbereich F1. Dieser Fluidfunktionsbereich F1
ist hier in Form eines einfachen Durchflusskanals ausgebildet, kann
jedoch (wie beispielsweise in den nachfolgenden 5 bis 10 gezeigt)
auf vielfältigste
Art und Weise ausgebildet sein.
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Nach
Verlassen des Fluidfunktionsbereichs F1 verlässt das Fluid das Funktionselement 2a über einen
an der Unterseite U des Funktionselements 2a ausgebildeten Fluidaustrittsabschnitt 2A (welcher seitlich
versetzt zum Abschnitt 2E ausgebildet ist) und tritt über einen
Fluideintrittsabschnitt 1E wiederum in das Fluidelement 11a ein.
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Die
Fluidführungen
zwischen dem ersten Fluidelement 11a und dem zweiten Funktionselement 2b,
zwischen dem zweiten Fluidelement 11b und dem auf diesem
verpresst angeordneten zweiten Funktionselement 2b sowie
dem auf diesem verpresst angeordneten dritten Funktionselement 2c sind
im skizziertem Fall grundsätzlich
ebenso ausgebildet wie die Fluidführung zwischen den Elementen 11a und 2a.
Eben solches gilt für
die Befestigung bzw. Verpressung der Elemente 2b, 2c mit 11b sowie für die Befestigung
des Elements 11b auf der Basisplatte 4.
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2 zeigt
nun eine konkrete Realisierung von zwei auf einem dreischichtig
ausgebildeten Fluidelement (Schichten 1-1, 1-2, 1-3)
angeordneten, ebenfalls dreischichtig ausgebildeten Funktionselementen
(Schichten 2-1, 2-2 und 2-3). Wie die
Figur zeigt, werden die Funktionselemente mit Hilfe mehrerer durch
die Funktionsebene 2 und die Fluidebene 1 hindurchgehende
und in die Basisplattenebene 4 hineinreichende Gewindebohrungen 1B, 2B (letztere nicht
gezeigt) ausgebildet. Durch entsprechende Verschraubungen S1 wird
somit eine ausreichende Presskraft zwischen den Elementen 1 und 2 realisiert,
so dass es zu der vorbeschriebenen Ausbildung von abdichtend verpressten
Fluiddurchgängen kommt.
Wie hier erkennbar ist, wird die Abdichtung durch torusförmige Gummiringe 3 realisiert,
welche in in der oberen Fläche
des Deckelelements 1-3 ausgebildete Vertiefungen 1V eingelegt
werden und durch die Unterseite der Elemente 2-1 durch
die Schraubenkräfte
S1 in ihre jeweiligen Vertiefun gen eingepresst werden. Wie deutlich
zu erkennen ist, weisen die Fluidaustrittsabschnitte 1A bzw.
die Fluideintrittsabschnitte 1E im Bereich der Vertiefungen 1V gratförmige Wandabschnitte
W auf, so dass die Vertiefungen 1V hier in Form von flachen,
konzentrisch um die Kanallängsachsen 1A, 1E angeordneten
Hohlzylinderabschnitten realisiert sind.
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3 zeigt
einen größeren Ausschnitt
aus einer erfindungsgemäß wie in 2 gezeigt
realisierten modularen mikrofluidischen Funktionsplattform. Deutlich
sichtbar sind hier mehrere angrenzend aneinander und nebeneinander
auf der Basisplatte 4 angeordnete Fluidelemente 11a und 11b (zwischen welchen
die Übergänge Ü ausgebildet
sind). Auf der Oberseite der Fluidelemente 11a, 11b sind
eine Vielzahl von einzelnen Funktionselementen 2 angeordnet.
Wie der Fall des Funktionselements 2a zeigt, können hierbei
auch Funktionselemente 2 fluidelementübergreifend, d. h. oberhalb
zweier verschiedener Fluidelemente ausgebildet sein. Gut zu erkennen sind
hier die in Form von Ecken von viereckförmigen Gruppen angeordneten
Befestigungsabschnitte BB, 1B, welche gegenüberliegend
in der Oberseite der Basisplatte 4 und in der Unterseite
der Fluidelemente 1 (sowie durchgehend zu deren Oberseite)
ausgebildet sind. Ebenfalls klar zu erkennen die kreisringförmigen Vertiefungen 1V mit
beidseitigen Wandabschnitten bzw. den Graten W in ihrem Zentrum.
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4 zeigt
eine vorteilhafte dreischichtige Realisierung eines Fluidelements
bzw. einer Fluidebene mit einem Deckelelement 1-3, einem
Mittelelement 1-2 und einem Bodenelement 1-1.
Wie klar zu erkennen ist, sind die Fluidzufuhrbereiche bzw. -abschnitte
Z durch einfache, parallel zur Plattenebene verlaufende und vollständig durch
die Mittelebene 1-2 hindurchgehende Längskanäle realisiert. Diese und die
Fluideintritts- bzw.
Fluidaustrittsabschnitts 1E, 1A (welche im Deckelelement 1-3 realisiert
sind) sind so angeordnet, dass durch Aufeinanderlegen des Deckelelements 1-3 und
des Mittelelements 1-2 durchgängige Kanalabschnitt 1E,
Z, 1A realisiert werden. Ebenfalls klar erkennbar die zwischen
den einzelnen (hier in Form mehrerer paralleler Reihen und Spalten
angeordneten) Fluidzufuhrbereichen Z angeordneten Befestigungsbereichsgruppen 1B,
UB, welche jeweils vier einzelne an den Eckpunkten eines Quadrats
angeordnete, durch die Platten 1-1 bis 1-3 vollständig hindurchgehende
Gewindebohrungen aufweisen.
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In
den folgenden 5 bis 10 sind
einzelne Beispiele für
erfindungsgemäße Funktionselemente 2 gezeigt.
In jedem dieser Beispiele ist das entsprechende Funktionselement 2 als
Stapel von drei einzelnen, übereinander
angeordneten Platten ausgebildet: Der Deckelplatte 2-3,
der Mittelplatte 2-2 und der Bodenplatte 2-1,
wobei die Mittelplatte 2-2 sandwichartig zwischen der Deckelplatte 2-3 und
der Bodenplatte 2-1 angeordnet ist und wobei die Bodenplatte 2-1 das
auf dem bzw. den darunterliegenden Fluidelement(en) angeordnete
Element bildet.
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In
den Figuren sind jeweils die durch alle drei Plattenebenen vollständig hindurchgehende,
als Gewindebohrung ausgeführte
zweiten Befestigungsabschnitte mit dem Bezugszeichen 2B bezeichnet.
Mit Hilfe dieser durchgehenden zweiten Befestigungsabschnitte 2B werden
die Platten 2-1 bis 2-3 miteinander verpresst
und abdichtend verpresst auf dem bzw. den Fluidelement(en) angeordnet.
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Die
wesentlichen Elemente des Funktionsbereichs F sind in den einzelnen
Beispielen jeweils in die Mittelplatte 2-2 eingearbeitet.
Wie in 1 gezeigt, sind die Fluideintrittsabschnitte,
mit denen das Fluid aus dem darunterliegenden Fluidelement 1 in die
Funktionsstruktur F überführt wird,
mit dem Bezugszeichen 2E bezeichnet. Die Fluidaustrittsabschnitte,
welche das Fluid aus dem Funktionsbereich F durch die Bodenplatte 2-1 in
das darunterliegende Fluidelement 1 überführen, sind mit dem Bezugszeichen 2A bezeichnet.
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5 zeigt
eine erfindungsgemäße Fluidfunktionsstruktur
bzw. einen erfindungsgemäßen Fluidfunktionsbereich
F in Form eines Gegenstromspiralmischers. Dieser weist einen ersten
Spiralstrang, dessen Radius sukzessive zum Mittelpunkt der Mittelplatte 2-2 hin
verringert wird, auf. Dieser erste Spiralstrang weist drei Eintrittsöffnungen
auf, über
die mittels der drei Eintrittsabschnitte 2E drei verschiedene
Fluide dem ersten Spiralstrang zuführbar sind. Dem ersten Spiralstrang
schließt
sich ein zweiter Spiralstrang an, welcher spiralförmig vom
Mittelpunkt bzw. Zentrum der Mittelplatte 2-2 mit sich
sukzessive vergrößerndem
Radius nach außen
zum Austrittsabschnitt 2A hin führt. Aufgrund der mittels des
ersten und des sich anschließenden
zweiten Spiralstrangs ausgebildeten Strecke, welche das aus den
drei Fluiden zusammengeführte
Fluid im Fluidfunktionsbereich F durchfließen muss, wird eine ausreichende Durchmischung
der über
die drei Eingangselemente 2E zugeführten, zu vermischenden Einzelfluide
gewährleistet.
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Der
Gegenstromspiralmischer weist somit drei Eingänge und einen Ausgang auf.
Die gezeigte Konstruktion kann auch als Trenner eingesetzt werden,
dann werden die drei Strukturen 2E als Ausgangsabschnitte
eingesetzt und die Struktur 2A als Eingangsabschnitt. Die
Anschlüsse 2E und 2A zur Bodenglasplatte 2-1 sind
immer gleich (2,5 mm und 9 mm Abstand zum Rand). Es ist somit möglich, eine lange
Mischstrecke bzw. Trennstrecke auf geringem Raum durch das Gegenstromspiralprinzip
unterzubringen. Beim Trenner ist die Partikelseparation aufgrund
des Prinzips einer Zentrifuge möglich.
Die Kanalbreiten sind hierbei beliebig variierbar. Insbesondere
lässt sich
die gezeigte Spiralstruktur zum Anreichern und/oder zum Separieren
von Teilchen und Fluiden unterschiedlicher Dichte einsetzen. Eine Temperierung
des Bausteins ist möglich
durch Auflage eines Thermoaufsatzes bzw. Wärmetauschers.
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6 zeigt
ein erfindungsgemäßes Rückschlagventil.
Hierbei ist der Fluidfunktionsbereich F im Mittelelement 2-2 in
Form eines geraden Durchgangskanals ausgebildet. In diesen kann
das Fluid mittels des Fluideintrittsabschnitts 2E verbracht
werden und aus diesem mittels des Austrittsabschnitts 2A entfernt
werden. Die Rückschlagventilfunktion wird
dadurch realisiert, dass im Durchflusskanal des Bereichs F zu den
beiden Enden hin (d. h. kurz vor den Bereichen 2E bzw. 2A)
Verengungen realisiert sind. Durch Einbringung einer Kugel (z. B.
Keramikkugel) in den Kanalbereich zwischen den Bereichen 2E und 2A kann
somit die Rückschlagventilfunktion realisiert
werden. Die Kugel kann hierbei schon beim Bonden direkt integriert
werden.
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Das
gezeigte passive Rückschlagventil
ermöglicht
gezielt einen gerichteten Fluidfluss. Hier sind, wie auch in 5 gezeigt,
die Anschlüsse 2E bzw. 2A an
Standardanschlüsse
von modularen Plattformen ange passt (2,5 mm und 9 mm Abstand zum
Rand).
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7 zeigt
eine erfindungsgemäße Realisierung
eines Umsetzers: Die in der Mittelplatte 2-2 ausgebildete
Fluidfunktionsstruktur F des Umsetzers weist dabei zwei getrennte,
bogenförmige
Durchflussabschnitte F1 und F2 auf, bei denen das Fluid aus der
darunterliegenden Ebene über
die Eintrittsabschnitte 2E eingebracht wird und nach Durchfließen einer
bogenförmigen
Strecke durch den Fluidaustrittsabschnitt 2A wieder in
die darunterliegende Ebene verbracht wird. Auf einem Abschnitt des
ersten bogenförmigen
Fließbereichs
F1 wird nun senkrecht zum Fließkanal
bis unmittelbar an die Kanalwand heran durch zwei beidseits des
Fluidabschnitts F1 in der Mittelplatte 2-2 angeordnete
Lichtleiterabschnitt F-L1a und F-L1b ein erster Detektionsbereich D1
ausgebildet. Mit diesem kann beispielsweise eine Extinktion durch
das durchfließende
Fluid gemessen werden.
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Ebenso
ist auf einem Abschnitt des zweiten bogenförmigen Durchflussbereichs F2
durch zwei unter einem Winkel von 45° auf gegenüberliegenden Seiten des Kanals
F2 herangeführte
Lichtleiterabschnitte F-L2a und F-L2b ein zweiter Detektionsbereich
D2 ausgebildet. Durch Einschieben von zwei Lichtleitern kann beispielsweise
in diesem zweiten Detektionsbereich die Messung einer Fluoreszenz des
durchfließenden
Fluids F erfolgen.
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Beim
gezeigten Umsetzer können
die beiden Strecken F1 und F2 unabhängig voneinander als Detektionsbereiche
D1 und D2 benutzt werden. Es sind somit zwei Strukturen zur Integration
von Lichtwellenleitern vorgesehen, so dass der Baustein als Detektorbaustein
fungieren kann, um wie beschrieben beispielsweise eine Extinktion
oder eine Fluoreszenz zu messen. Die Glasfasern sind dabei direkt
einkoppelbar; beispielsweise kann durch die 90°-Einkopplung senkrecht zum Kanal
F1 die Transmission sehr vorteilhaft erfasst werden, wohingegen
durch die 45° versetzte
Einkopplung eine vorteilhafte Streulichterfassung mit Hilfe des
Kanals F2 möglich
ist. Beide Erfassungen können
zeitgleich erfolgen. Auch hier sind die Strukturen an den Standardanschluss
von modularen Plattformen angepasst, d. h. es weisen 2,5 mm und
9 mm Abstand zum Rand auf.
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8 zeigt
ein in der Mittelplatte 2-2 ausgebildetes Y-Element, welches
zum Aufspalten oder auch zum Zusammenführen von Fluidströmen dient. Gezeigt
ist der Fall des Zusammenführens
von zwei Fluidströmen,
welche über
die senkrecht zueinander in der Platte 2-2 ausgebildeten
Einführkanalabschnitte
F1 und F2 mittels der Fluideintrittsabschnitte 2E zugeführt werden.
Senkrecht zum Einflusskanal F1 und in geradliniger Fortsetzung des
Einflusskanals F2 ist der Ausflusskanal F3 ausgebildet, über den
mit Hilfe des Austrittsabschnitts 2A die Flüssigkeit
abgeführt
werden kann. Im Bereich der Zusammenführung der beiden Einflusskanäle F1 und
F2 und des Austrittskanals F3 (eigentlicher Y-Bereich bzw. T-Bereich)
ist eine Verengung ausgebildet. Die Verengung kann beispielsweise
auch dazu genutzt werden, den Hauptfluidstrom F2 => F3 zu entlüften. Auch
hier sind die Maße
an die Standardanschlüsse
von modularen Plattformen angepasst (2,5 mm und 9 mm Abstand zum
Rand).
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9 zeigt
einen Multifunktionsbaustein, welcher beispielsweise als Rohrreaktor,
Zeitpufferbaustein oder Mischer einsetzbar ist. Der Baustein kann
auch als Teil eines Thermobausteins zum Heizen oder Kühlen dienen
oder als Fluidvorratsmodul verwendet werden. Der Baustein ist dadurch
realisiert, dass im Mittelplattenelement 2-2 ein mäanderförmiger Durchflussbereich
F mit einer Vielzahl von Windungen realisiert ist, über welchen
das durch den Fluideintrittsabschnitt 2E eintretende Fluid
zum Fluidaustrittsabschnitt 2A abgeführt wird. Das Kanaldesign (Länge und
Breite, Anzahl Schleifen) ist hierbei je nach Applikation frei wählbar. Wird
eine große
Kanaldichte gewählt,
so ist eine bessere Visualisierung von Farbumschlägen möglich. Zudosierungen
sind während
eines Prozesses durch zwei mittlere Einlässe 2EM möglich. Der
Baustein kann insbesondere auch als Wärmetauscher eingesetzt werden.
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Der
zeitliche Ablauf kann über
die Länge
der Verweildauer bzw. die Länge
der mäanderförmigen Strecke
gesteuert werden. Es kann somit ein Fluidvorrat realisiert werden,
der sehr gezielt entleert werden kann und durch die Kapillarkräfte des
Fluids nach Füllung
auch nicht ausläuft.
Durch das konkrete Kanaldesign ist das Volumen in weitem Umfang wählbar. Beispielsweise
kann nach einem Y-Baustein, wie er in 8 gezeigt
ist, ein solches Modul eingesetzt werden, um zwei Fluide zu mischen.
Eine Temperierung der Flüssigkeiten
kann über
eine Heizplatte oder über
Wärmetauscherstrukturen
erfolgen, welche auf dem gezeigten Modulbereich aufliegen. Die Temperatur
der Flüssigkeit
ist über
die Fluidstreckenlänge
im Modul dann einstellbar.
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10 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
in Form einer Pumpe. Bei diesem sind im Mittelelement 2-2 ebenfalls
drei Äste
vorgesehen, wobei der Eintrittsast 2E über eine Biegung BG im 90°-Winkel in
den Austrittsast 2A übergeht.
Im Scheitelpunkt der Biegung BG mündet im 90° gebogenen Durchflusskanal der
blinde Ast 2E-FF der Fluidfunktionsstruktur F symmetrisch
ein. Zum Einflusskanalabschnitt und zum Ausflusskanalabschnitt weist
der blinde Ast 2E-FF somit jeweils einen Winkel von α = 45° auf. Die
Pumpfunktion wird dadurch realisiert, dass durch den Fluideintrittsabschnitt 2E-FF (obere Abschnitt
des blinden Asts) ein Ferrofluid oder eine anderweitig von extern
eingepumpte Flüssigkeit
eingedrückt
oder wiederabgesaugt wird: Vorteilhafterweise kann dann eine zwischen
dem Ferrofluid und dem durch den 90°-Bogenabschnitt zwischen den Öffnungen 2E und 2A geführten Fluid
ein pneumatischer Kolben ausgebildet werden. Durch das bei geeigneter
Steuerung des Ferrofluids permanent vorhandene Luftpolster kann
eine sichere Trennung des Ferrofluids und des den bogenförmigen Abschnitt 2A nach 2E durchlaufenden
Fluids gewährleistet
werden. Insbesondere ist ein Pumpen durch Bewegen des Ferrofluids
im blinden Ast durch Kombination mit einem Rückschlagventil, wie es beispielsweise
in 6 gezeigt ist, möglich. Der Baustein kann auch zur
Separation von Flüssigkeiten
eingesetzt werden.