DE102008002336A1

DE102008002336A1 - Quetschventil und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102008002336A1
Application number: DE102008002336A
Authority: DE
Inventors: Manuela Schmidt; Jochen Rupp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-06-10
Filing date: 2008-06-10
Publication date: 2009-12-24
Also published as: EP2286126A1; US8869815B2; CN102057198A; WO2009149986A1; US20110076204A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Quetschventil, einen ein derartiges Quetschventil umfassenden Chip, eine ein derartiges Quetschventil umfassende peristaltische Pumpe und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Quetschventil, einen ein derartiges Quetschventil umfassenden Chip, eine ein derartiges Quetschventil umfassende peristaltische Pumpe und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Stand der Technik
In mikrofluidischen, insbesondere biologischen, Anwendungen werden häufig Quetschventile genutzt, um Flüssigkeiten zu manipulieren. Beispielsweise verwendet die Firma Fluidigm auf fluidischen Chips derartige Ventile unter dem Namen „Nanoflex”. Der fluidische Chip sowie die darauf befindlichen Ventile sind dabei aus einem elastischem Vollmaterial, beispielsweise Polydimethylsiloxan, ausgebildet. Insbesondere da zahlreiche Herstellungsschritte notwendig sind, ist die Herstellung derartiger Ventile und Chips jedoch aufwendig und kostspielig. Darüber hinaus sind die Möglichkeiten beim Ventil- und Chipdesign eingeschränkt.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Quetschventil nach Anspruch 1, der erfindungsgemäße Chip nach Anspruch 10, die erfindungsgemäße peristaltische Pumpe nach Anspruch 12 und das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 12 haben den Vorteil, dass die Herstellungskosten, insbesondere aufgrund geringer Materialkosten und einer geringen Anzahl von Verfahrensschritten, gering sind. Darüber hinaus ermöglicht ein erfindungsgemäßes Quetschventil und Verfahren den Einsatz einer Vielzahl von Materialien zur Ausbildung des dritten Substrats, wodurch die Funktion des Ventils optimiert werden kann.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigt
1a einen schematischer Querschnitt entlang der Linie A-A' durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils im offenen Zustand;
1b einen schematischer Querschnitt entlang der Linie B-B' durch die in 1a gezeigte, erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils;
1c einen schematischer Querschnitt entlang der Linie A-A' durch die in 1a gezeigte, erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils im geschlossenen Zustand;
2a einen schematischer Querschnitt entlang der Linie C-C' durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils im offenen Zustand;
2b einen schematischer Querschnitt entlang der Linie D-D' durch die in 2a gezeigte, zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils;
2c einen schematischer Querschnitt entlang der Linie C-C' durch die in 2a gezeigte, zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils im geschlossenen Zustand;
3a einen schematischer Querschnitt entlang der Linie E-E' durch eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils im geschlossenen Zustand;
3b einen schematischer Querschnitt entlang der Linie F-F' durch die in 3a gezeigte, dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils;
3c einen schematischer Querschnitt entlang der Linie E-E' durch die in 3a gezeigte, dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils im offenen Zustand;
4 ist eine schematische Draufsicht auf ein erstes, zweites oder drittes Substrat und veranschaulicht die Anordnung einer auf das Substrat aufgedruckten Fügelinie bezüglich einer Aussparung in dem Substrat beziehungsweise bezüglich einer Aussparung in einem darüber oder darunter angeordneten Substrat; und
5 eine Richtungsgeberstruktur zur Herstellung eines Ventils beziehungsweise Chips mittels Ultraschallschweißen.
1a ist ein schematischer Querschnitt entlang der Linie A-A' durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils im offenen Zustand. 1a zeigt, dass das erfindungsgemäße Quetschventil ein erstes 1, zweites 2 und drittes 3 Substrat umfasst. Das dritte Substrat 3 ist aus einem elastischen Material ausgebildet ist und, insbesondere Sandwichartig, zwischen dem ersten 1 und zweiten 2 Substrat angeordnet. Dabei grenzt das erste Substrat 1 an das dritte Substrate 3 an und weist an der an das dritte Substrat 3 angrenzenden Seite mindestens eine erste Aussparung 4 auf. Ebenso grenzt das zweite Substrat 2 an das dritte Substrate 3 an und weist an der an das dritte Substrat 3 angrenzenden Seite mindestens eine zweite Aussparung 5 auf. Neben den in 1a gezeigten Aussparungen können das erste 1 und zweite 2 Substrat im Rahmen der vorliegenden Erfindung noch weitere Strukturierungen aufweisen. 1a zeigt, dass die erste Aussparung 4 und die zweite Aussparung 5 dabei einander gegenüber angeordnet sind. Mit anderen Worten, die erste 4 und zweite 5 Aussparung überlappen sich gegenseitig vollständig. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung, beispielsweise in der in den 3a bis 3c gezeigten, dritten Ausführungsform, ist es jedoch ebenso möglich, dass die erste Aussparung 4 und die zweite Aussparung 5 nur teilweise gegenüber einander angeordnet sind beziehungsweise sich nur teilweise gegenseitig überlappen.
1b ist ein schematischer Querschnitt entlang der Linie B-B' durch die in 1a gezeigte, erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils. In 1b sowie in den Querschnittszeichnungen 2b und 3c sind über der Schnittebene angeordnete Elemente und Bezugszeichen strichzweipunktiert dargestellt. 1b zeigt ebenso wie 2b, dass im Rahmen der ersten und zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform die Längsachsen der ersten 4 und zweiten 5 Aussparung in einem Winkel von mehr als null Grad, beispielsweise von mehr als 20 Grad, insbesondere in einem rechten Winkel, zueinander angeordnet sind.
Dem erfindungsgemäßen Quetschventil liegt das Prinzip zu Grunde, dass sich der zwischen der ersten 4 und zweiten 5 Aussparung angeordnete Bereich des dritten, elastischen Substrates 3 bei unterschiedlichen Drücken in den Aussparungen 4, 5 in die Aussparung 4, 5 mit dem geringeren Druck hinein dehnen kann. In den in den 1a bis 2c gezeigten, erfindungsgemäßen Ausführungsformen, dehnt sich der zwischen der ersten 4 und zweiten 5 Aussparung angeordnete Bereich des dritten, elastischen Substrates 3 durch eine Druckerhöhung in der ersten Aussparung 4, welche auch als Ventilkontrollkanal bezeichnet werden kann, in die zweite Aussparung 5, welche beispielsweise ein Fluidkanal sein kann, hinein aus und verengt beziehungsweise verschließt dabei die zweite Aussparung 5 beziehungsweise den Fluidkanal. Im Rahmen der in den 1a bis 2c gezeigten, erfindungsgemäßen Ausführungsformen handelt es sich um ein „normally on” Ventil, das heißt das Quetschventil ist normalerweise, beispielsweise bei Normaldruck in der ersten Aussparung 4, offen und wird durch eine Druckerhöhung in der ersten Aussparung 4, wie in 1c gezeigt aktiviert beziehungsweise teilweise oder vollständig geschlossen.
Im Rahmen der in den 1a bis 1c gezeigten ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Druck in der ersten Aussparung 4 durch eine externe, das heißt beispielsweise durch eine außerhalb der Substrate 1, 2, 3 angeordnete, Druckvorrichtung geregelt. Dies wird in 1c durch den mit dem Bezugszeichen p gekennzeichneten Pfeil veranschaulicht.
Das erfindungsgemäße Quetschventil kann in all seinen Ausführungsformen ein mikrofluidisches Quetschventil sein. Dabei bedeutet mikrofluidisch, dass die Menge an manipulierter Flüssigkeit typischerweise im Bereich einiger 100 μl bis wenige Nanoliter liegt. Die Querschnittsfläche der zweiten Aussparung 5, insbesondere des Fluidkanals, kann ≤ 90000 μm², beispielsweise ≤ 300 μm × 300 μm, insbesondere ≤ 50 μm (Höhe) × 100 μm (Breite), betragen. Der zwischen der ersten 4 und zweiten 5 Aussparung angeordnete Bereich des dritten, elastischen Substrates 3, insbesondere die Fläche zwischen Ventilkontrollkanal und Fluidkanal, kann ≤ 250000 μm², beispielsweise ≤ 500 μm × 500 μm betragen. Beispielsweise kann es sich bei dem erfindungsgemäßen Quetschventil um ein Ventil für einen mikrofluidischen Chip, insbesondere Biochip, handeln.
Die 2a und 2c zeigen einen schematischen Querschnitt entlang der Linie C-C' durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils im offenen und im geschlossenen Zustand.
2a zeigt, dass sich die zweite erfindungsgemäße Ausführungsform dadurch von der ersten unterscheidet, das die erste Aussparung 4 mit einer elektrisch beheizbaren, insbesondere in das erste Substrat 1 integrierten, Druckkammer 6, insbesondere zum Öffnen und Schließen des Ventils, und nicht mit einer externen Druckvorrichtung verbunden ist. Insbesondere bildet die erste Aussparung 4 im Rahmen dieser Ausführungsform zusammen mit der Druckkammer 6 eine geschlossene Einheit. Das heißt, es bedarf vorteilhafterweise keiner gas- und/oder flüssigkeitsdurchlässigen Verbindung der ersten Aussparung 4 und/oder der Druckkammer 6 mit einem externen Gerät, beispielsweise einer externen Druckvorrichtung.
2b ist ein schematischer Querschnitt entlang der Linie D-D' durch die in 2a gezeigte, zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst die elektrisch beheizbare Druckkammer 6 ebenso wie die erste Aussparung 4 vorzugsweise ein Gas und/oder eine Flüssigkeit. Beispielsweise eignen sich hierfür Luft, Stickstoff, Edelgase, Wasser und/oder Öle. 2b zeigt, dass in der Druckkammer 6 ein Heizwendel 8 angeordnet sein kann, der über zwei durch das erste Substrat 1 geführte Leiterbahnen 7a, 7b an eine externe Spannungs- und/oder Stromversorgungsvorrichtung 9 angeschlossen ist.
Durch einen derartigen Aufbau kann ein in der Druckkammer 6 und/oder Aussparung 4 befindliches Gas und/oder eine in der Druckkammer 6 und/oder Aussparung 4 befindliche Flüssigkeit erwärmt werden, wodurch sich das Gas und/oder die Flüssigkeit ausdehnt und damit den Druck in der ersten Aussparung 4 erhöht. Der Druck in der ersten Aussparung 4 kann somit durch die elektrisch beheizbare Druckkammer 6 geregelt werden.
Ein derartiger Aufbau ist besonders vorteilhaft, da der Druck in der ersten Aussparung 4 elektrisch ansteuerbar ist, wenige Peripherieelemente benötigt werden, „on-Chip” erzeugbar ist und, insbesondere in Mikrosystemen, eine schnelle Taktzeit zwischen Heizen und Abkühlen und damit zwischen Druckerhöhung und Druckerniedrigung erzielt werden kann.
Die 3a und 3c zeigen einen schematischen Querschnitt entlang der Linie E-E' durch eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils im geschlossenen Zustand und im offenen Zustand. 3a zeigt, dass das zweite Substrat 2 an der an das dritte Substrate 3 angrenzenden Seite mindestens eine dritte Aussparung 5b aufweist, welche zu der zweiten Aussparung 5a benachbart angeordnet ist, wobei sowohl die zweite Aussparung 5a als auch die dritte Aussparung 5b zumindest teilweise gegenüber der ersten Aussparung 4 angeordnet sind. Mit anderen Worten, 3a zeigt, dass die erste Aussparung 4 sowohl die zweite 5a als auch die dritte 5b Aussparung zumindest teilweise überlappt. Die dritte Aussparung 5b ist dabei von der zweiten Aussparung 5a durch einen Steg 10 getrennt. Ferner zeigen die 3a bis 3c, dass die erste Aussparung 4 geschlossen sein kann. Das heißt, es bedarf nicht notwendigerweise einer gas- und/oder flüssigkeitsdurchlässigen Verbindung nach Außen.
Im Gegensatz zu den Quetschventilen der ersten und zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform, handelt es sich bei dem Quetschventil der dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform um ein „normally off” Ventil. Das heißt, das Quetschventil der dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist normalerweise, beispielsweise bei Normaldruck in der ersten Aussparung 4 geschlossen und wird, beispielsweise durch eine externe Druckvorrichtung, durch eine Druckerhöhung in der zweiten 5a und/oder dritten 5a Aussparung, wie in 3c gezeigt aktiviert beziehungsweise teilweise oder vollständig geöffnet.
„Normally off” Ventile sind üblicherweise aufwendiger herzustellen als „normally on” Ventile. Ein erfindungsgemäßes, in den 3a bis 3c gezeigtes, „normally off” Ventil hat hingegen den Vorteil, dass es auf einfache Weise hergestellt werden kann.
3b ist ein schematischer Querschnitt entlang der Linie F-F' durch die in 3a gezeigte, dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils. 3b zeigt, dass die Längsachsen der ersten Aussparung 4 im Rahmen dieser Ausführungsform beispielsweise im Wesentlichen parallel zu der Längsachse der zweiten Aussparung 5a und im Wesentlichen parallel zu der Längsachse der dritten Aussparung 5b angeordnet ist. Dabei bedeutet im Wesentlichen, dass Abweichungen von der Parallelität insofern eingeschlossen sind als dass die im Zusammenhang mit den 3a bis 3c beschriebene Ventilfunktion dadurch nicht beeinträchtigt wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist das dritte Substrat 3 vorzugsweise schichtförmig, insbesondre eine Elastomerfolie. Vorzugsweise ist das dritte Substrat 3, insbesondere die Elastomerfolie, dabei um ≥ 5% dehnbar. Beispielsweise kann das dritte Substrat 3 eine Elastomerfolie mit einer Foliendicke von ≥ 0,01 μm bis ≤ 100 μm, beispielsweise von ≥ 0,1 μm bis ≤ 50 um, insbesondere von ≥ 15 μm bis ≤ 35 μm, ist. Vorzugsweise weist das dritte Substrat 3 beziehungsweise das Material aus dem das dritte Substrat 3 ausgebildet ist ein Young-Modul von ≥ 0,01 GPa bis ≤ 0,1 GPa, insbesondere von ≥ 0,05 GPa bis ≤ 0,08 GPa, auf Das dritte Substrat 3 ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise aus einem biokompatiblen Material ausgebildet. Dabei bedeutet biokompatibel, dass das Material möglichst wenige, insbesondere keine, Wechselwirkungen mit, insbesondere biochemischen, Analyten und Proben eingeht. Insbesondere soll das Material möglichst wenige, insbesondere keine, Wechselwirkungen mit, insbesondere biochemischen, Analyten und Proben eingehen, welche die für die Anwendung der Analyten und Proben notwendigen spezifischen Eigenschaften verändern.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das dritte Substrat 3 sowohl aus einem, insbesondere schweißbarem, thermoplastischen als auch einem nicht-thermoplastischen Elastomer ausgebildet sein.
Im Rahmen eines auf einer Schweißtechnik basierenden erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist das dritte Substrat 3 vorzugsweise aus einem thermoplastischen, insbesondere schweißbaren, Elastomer ausgebildet. Beispielsweise eignen sich zur Ausbildung des dritten Substrats 3 thermoplastische Elastomere auf Olefinbasis (TPE-O), thermoplastische Elastomere auf Urethanbasis (TPE-U), thermoplastische Elastomere auf Polyestherbasis (TPE-E), oder thermoplastische Elastomere auf Styrolbasis (TPE-S) oder Mischungen davon.
Die Verwendung einer Schweißtechnik und der Einsatz eines schweißbarem thermoplastischen Elastomers, insbesondere einer thermoplastischen Elastomerfolie, hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als vorteilhaft herausgestellt, da das Elastomer neben der Ventilfunktion auch die Verbindung des ersten 1, zweiten 2 und dritten 3 Substrates sowie die Absichtung erfüllt.
Im Rahmen eines auf einer Thermokompressionsschweißtechnik basierenden erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens werden die Materialien des ersten 1, zweiten 2 und dritten 3 Substrats vorzugsweise derart ausgewählt, dass die Schmelz- und/oder Erweichungstemperatur des dritten Substrats 3 niedriger als die Schmelz- und/oder Erweichungstemperatur des ersten 1 und zweiten 2 Substrats ist. Beispielsweise kann die Schmelz- und/oder Erweichungstemperatur des dritten Substrats 3 in einem Bereich von ≥ 50°C bis ≤ 200°C, beispielsweise von ≥ 90°C bis ≤ 190°C, insbesondere von ≥ 130°C bis ≤ 150°C, liegen, wobei die Schmelz- und/oder Erweichungstemperatur des ersten 1 und zweiten 2 Substrats höher, beispielsweise ≥ 5°C bis ≤ 40°C höher, insbesondere ≥ 10°C bis ≤ 20°C höher, als die des dritten Substrats sein kann. Die Schmelz- und/oder Erweichungstemperatur des ersten 1 und zweiten 2 Substrats kann beispielsweise ≥ 100°C oder ≥ 150°C oder ≥ 200°C insbesondere ≥ 130°C oder ≥ 230°C, sein.
Dadurch wird vorteilhafterweise gewährleistet, dass Strukturen, insbesondere Mikrostrukturen, im ersten 1 und zweiten 2 Substrat nicht beim Fügen verändert oder zerstört werden.
Im Rahmen eines auf einer Klebetechnik basierenden erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens kann das dritte Substrat 3 auch aus einem nicht-thermoplastischen Elastomer ausgebildet sein. Beispielsweise eignen sich hierfür Silikone, Polyurethane, Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Butadienkautschuk, Polyacrylatkautschuke, oder Styrolkautschuke oder Mischungen davon.
Ebenso wie das dritte Substrat 3 sind das erste 1 und zweite 2 Substrat im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise aus einem biokompatiblen Material ausgebildet.
Wie auch das dritte Substrat 3 können das erste 1 und zweite 2 Substrat im Rahmen der vorliegenden Erfindung unabhängig voneinander sowohl aus einem, insbesondere schweißbarem, thermoplastischen als auch einem nicht-thermoplastischen Elastomer ausgebildet sein.
Im Rahmen eines auf einer Schweißtechnik basierenden erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sind vorzugsweise das erste 1 und zweite 2 Substrat unabhängig voneinander aus einem thermoplastischen, insbesondere schweißbaren, Elastomer ausgebildet. Beispielsweise eignen sich zur Ausbildung des ersten 1 und zweiten 2 Substrats Polymer wie Polyolefine, insbesondere Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) oder Polystyrol (PS), Polycarbonate (PC), Poly(meth)acrylate, insbesondere Polymethylmethacrylat (PMMA), Cyclo-Olefin-Copolymere (COC) oder Cyclo-Olefin-Polymere (COP) oder Mischungen davon. Insbesondere können das erste 1 und zweite 2 Substrat jeweils unabhängig voneinander aus einem Polycarbonat oder Cyclo-Olefin-Copolymer oder einer Mischung davon ausgebildet sein. Diese Polymere haben sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als besonders Vorteilhaft erwiesen, da sie sowohl biokompatibel als auch thermoplastisch und somit schweißbar sind.
Im Rahmen eines auf einer Klebetechnik basierenden erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens können das erste 1 und zweite 2 Substrat jedoch auch unabhängig voneinander aus einem aus einem nicht-thermoplastischen Elastomer ausgebildet sein. Beispielsweise eignen sich hierfür Silikone, Polyurethane, Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Butadienkautschuk, Polyacrylatkautschuke, oder Styrolkautschuke oder Mischungen davon.
Das erste 1 und zweite 2 Substrat können im Rahmen der vorliegenden Erfindung beispielsweise durch ein Spritzguss- oder Heißprägeverfahren hergestellt werden. Die in dem ersten 1 und zweiten 2 Substrat befindlichen Aussparungen 4, 5 können ebenfalls im Zuge des Spritzguss- oder Heißprägeverfahren hergestellt werden. Darüber hinaus können die Aussparungen 4, 5 nachträglich durch Photolithographie in dem ersten 1 und/oder zweiten 2 Substrat ausgebildet werden. Vorteilhafterweise können das erste 1 und zweite 2 Substrat im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit derselben Technologie hergestellt werden.
Das erste 1 und zweite 2 Substrat können im Rahmen der vorliegenden Erfindung schichtförmig sein. Beispielsweise können das erste 1 und zweite 2 Substrat unabhängig voneinander eine Schichtdicke von ≥ 1 μm bis ≤ 2 mm, beispielsweise von ≥ 10 μm bis ≤ 500 μm, insbesondere von ≥ 15 μm bis ≤ 30 μm, aufweisen.
Die erste 4, zweite 5, 5a und dritte 5b Aussparung können im Rahmen der vorliegenden Erfindung unabhängig voneinander eine Querschnittsfläche von ≤ 25 mm² (beispielsweise von ≤ 5 mm × 5 mm), oder von ≤ 250000 μm² (beispielsweise von ≤ 500 μm × 500 μm), insbesondere von ≤ 100 μm² (beispielsweise von ≤ 10 μm × 10 μm), aufweisen.
Hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Ventils wird hiermit explizit auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein mikrofluidischer Chip, insbesondere ein Biochip, der mindestens ein erfindungsgemäßes Quetschventil umfasst. Erfindungsgemäß kann der Chip dadurch realisiert werden, dass das erste 1, zweite 2 und/oder dritte 3 Substrat neben den für die Ventilfunktion relevanten Elementen, insbesondere Aussparungen 4, 5, 5a, 5b, weitere Elemente, wie weitere Fluidkanäle, Reagenzienkammern, umfasst
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine peristaltische Pumpe, die mindestens ein erfindungsgemäßes Quetschventil umfasst. Dabei können sowohl alle der mindestens drei Ventile der peristaltischen Pumpe erfindungsgemäße Quetschventile sein, als auch kann die peristaltische Pumpe ein oder mehrere andere Ventile umfassen.
Beispielsweise kann eine erfindungsgemäße peristaltische Pumpe mit drei erfindungsgemäßen Quetschventilen ein erstes 1, zweites 2 und drittes 3 Substrat umfassen, wobei das dritte Substrat 3 aus einem elastischen Material ausgebildet ist und zwischen dem ersten 1 und zweiten 2 Substrat angeordnet ist, wobei das erste Substrat 1 an das dritte Substrate 3 angrenzt und an der an das dritte Substrat 3 angrenzenden Seite mindestens eine erste 4, eine vierte und eine fünfte Aussparung aufweist, wobei das zweite Substrat 2 an das dritte Substrate 3 angrenzt und an der an das dritte Substrat 3 angrenzenden Seite mindestens eine zweite Aussparung 5 aufweist, wobei die erste 4, vierte und fünfte Aussparung zumindest teilweise gegenüber der zweiten Aussparung 5 angeordnet sind.
Dabei kann die vierte und/oder fünfte Aussparung in Analogie zur ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einer externen Druckvorrichtung oder in Analogie zur zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einer elektrisch beheizbaren Druckkammer verbunden sein. In Analogie zur dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform kann das zweite Substrat 2 an der an das dritte Substrate 3 angrenzenden Seite mindestens eine dritte 5b, sechste und siebte Aussparung aufweisen, welche mit der zweiten Aussparung 5a benachbart in Reihe angeordnet sind, wobei die zweite Aussparung 5a und die dritte Aussparung 5b zumindest teilweise gegenüber der ersten Aussparung 4 angeordnet sind, wobei die dritte 5b und sechste Aussparung zumindest teilweise gegenüber der vierten Aussparung angeordnet sind, wobei die sechste und siebte Aussparung zumindest teilweise gegenüber der fünften Aussparung angeordnet sind. Die zweite Aussparung 5a ist dabei von der dritten Aussparung 5b durch einen Steg 10 getrennt, wobei die dritte Aussparung von der sechsten Aussparung sowie die sechste Aussparung von der siebten Aussparung durch zwei weitere Stege voneinander getrennt sind.
Hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile wird hiermit explizit auf die Beschreibung der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils verwiesen.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Quetschventils, eines erfindungsgemäßen Chips und/oder einer erfindungsgemäßen peristaltischen Pumpe, umfassend die Verfahrensschritte:

– Bereitstellen eines ersten 1 und eines zweites 2 Substrats mit jeweils mindestens einer Aussparung 4, 5;
– Bereitstellen eines dritten elastischen Substrates 3; und
– Verbinden des ersten Substrates 1 mit dem dritten Substrat 3 und des dritten Substrates 3 mit dem zweiten Substrat 2.

Ein derartiges Verfahren hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als besonders vorteilhaft erwiesen, da es keiner Strukturierung des dritten Substrates bedarf und einfach eine Elastomerfolie eingesetzt werden kann.
Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren vor dem Verfahrensschritt des Verbindens den Verfahrensschritt: Anordnen des dritten Substrates 3 zwischen dem ersten 1 und zweiten 2 Substrat, wobei jeweils die Seiten des ersten 1 und zweiten 2 Substrates, welche mindesten eine Aussparung aufweisen, an das dritte Substrat 3 angrenzen, aufweisen.
Wie bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung des erfindungsgemäßen Ventils erläutert, können das erste 1 und zweite 2 Substrat im Rahmen der vorliegenden Erfindung beispielsweise durch ein Spritzguss- oder Heißprägeverfahren, optional in Kombination mit Photolithographie, bereitgestellt werden.
Beispielsweise können die Substrate 1, 2, 3 im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durch eine Schweiß- und/oder Klebetechnik, beispielsweise eine Laminiertechnik, miteinander verbunden werden.
Wie bereits erläutert, kann beim Einsatz einer Klebetechnik das dritte Substrat 3 vorteilhafterweise auch aus einem Elastomer ohne thermoplastischen Anteil ausgebildet sein.
Insbesondere können die Substrate 1, 2, 3 durch Thermokompressionsschweißen, Laserdurchstrahlschweißen und/oder Ultraschallschweißen miteinander verbunden werden.
Zur Durchführung des Laserdurchstrahlschweißens, umfasst das erste 1 und/oder zweite 2 und/oder dritte 3 Substrat zweckmäßigerweise einen schwarzen Farbstoff und/oder einen anderen Absorber, und/oder weist mindestens eine Fügelinie 11 aus einem schwarzen Farbstoff und/oder einem anderen Absorber auf.
Als „anderer Absorber” sind beispielsweise Substanzen geeignet, die eine Wellenlänge beziehungsweise einen Wellenlängenbereich absorbieren, welche/r beim Laserdurchstrahlschweißen verwendet wird. Derartige Substanzen sind beispielsweise bei der Firma BASF unter dem Markennamen „Lumogen” und bei der Firma Clearweld unter dem Markennamen „Clearweld” kommerziell erhältlich.
Zur Durchführung des Laserdurchstrahlschweißen können beispielsweise

– das erste 1 und dritte 3 Substrate transparent sein und das zweite Substrat 2 einen schwarzen Farbstoff und/oder einen anderen Absorber umfassen; oder
– das zweite 2 und dritte 3 Substrate transparent sein und das erste Substrat 2 einen schwarzen Farbstoff und/oder einen anderen Absorber umfassen; oder
– das erste 1 und zweite 2 Substrate transparent sein und das dritte Substrat 3 einen schwarzen Farbstoff und/oder einen anderen Absorber umfassen; oder
– das erste 1, das zweite 2 und das dritte 3 Substrat transparent sein und das erste 1 und/oder zweite 2 und/oder dritte 3 Substrat mindestens eine Fügelinie 11 aus einem schwarzen Farbstoff und/oder einem anderen Absorber aufweisen.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es jedoch ebenso möglich, dass zwei oder mehr der Substrate 1, 2, 3 einen schwarzen Farbstoff und/oder einen anderen Absorber umfassen oder mit mindestens einer derartigen Fügelinie 11 versehen sind.
Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere vor dem Anordnen der Substrate, mindestens einen der Verfahrensschritte: Einbringen eines schwarzen Farnstoffs und/oder eines anderen Absorbers in ein Substrat 1, 2, 3 und/oder Aufdrucken von mindesten einer Fügelinie 11 auf mindestens ein Substrat 1, 2, 3. Das Aufdrucken der Fügelinie 11 kann dabei beispielsweise mittels eines Dispensers, mittels Siebdruck oder mittels eines Ink-Jet-Verfahren erfolgen.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird/werden die Fügelinie/n 11 derart auf die an das dritte Substrat 3 angrenzende Seite des ersten 1 und/oder zweiten 2 Substrats aufgedruckt, dass sie die Aussparungsöffnung teilweise oder vollständig, benachbart umlaufen; und/oder die Fügelinie/n 11 wird/werden derart auf mindestens eine an das erste 1 oder zweite 2 Substrat 3 angrenzende Seite des dritten Substrats 3 aufgedruckt, dass die Fügelinie/n 11 die Aussparungsöffnung/en eines angrenzenden Substrats 2, 3 teilweise oder vollständig, benachbart umlaufen. Die Anordnung einer derartigen auf das Substrat aufgedruckten Fügelinie 11 bezüglich einer Aussparung in dem Substrat beziehungsweise bezüglich einer Aussparung in einem darüber oder darunter angeordneten Substrat wird durch 4 veranschaulicht.
Das Laserdurchstrahlschweißen hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Thermokompressionsschweißen als vorteilhaft erwiesen, da nicht alle Fügepartner komplett erwärmt werden, sondern nur die zu verschweißenden Bereiche in der Fügeebene punktuell erhitzt und aufgeschmolzen werden. Dadurch werden empfindliche Mikrostrukturen nicht erhitzt und/oder verformt. Ebenso wird das dritte Substrat 3, insbesondere die Elastomerfolie nicht ganzflächig thermisch gestresst und verformt, wodurch gegebenenfalls die spätere Ventilfunktion beeinträchtigen werden könnte. Unter anderem kann auch das dritte Substrat 3, insbesondere die thermoplastische Elastomerfolie, einen ähnlichen oder sogar einen etwas höheren Schmelz- und/oder Erweichungspunkt als das Material des strukturierten ersten 1 und zweiten 2 Substrats haben. Darüber hinaus können Schweißnähte gezielt gelegt werden, wodurch die Designmöglichkeiten erhöht werden. Ferner können vor dem Verbinden der Substrate 1, 2, 3 hitzeempfindliche Reagenzien, wie Enzyme und Antikörper, in die Kanäle eingebracht werden, werden ohne dass diese beim Schweißvorgang durch Erhitzen des gesamten Verbunds zerstört werden.
Daher umfasst das erfindungsgemäße Verfahren im Rahmen einer Ausführungsform, insbesondere vor dem Verbinden der Substrate, den Verfahrensschritt: Einbringen von mindestens einer, insbesondere hitzeempfindlichen Reagenz in mindestens eine Aussparung, insbesondere in eine Aussparung 5, 5a, 5b im zweiten Substrat.
Zur Durchführung des Ultraschallschweißens weist das erste 1 und/oder zweite 2 und/oder dritte 3 Substrat zweckmäßigerweise mindestens eine Richtungsgeberstruktur 12, insbesondere eine Energierichtungsgeberstruktur 12, auf. 5 zeigt eine derartige Richtungsgeberstruktur 12 im ersten 1 und zweiten 2 Substrat eines erfindungsgemäßen Quetschventils. 5 zeigt, dass das dritte Substrat 3 zwischen dem ersten 1 und zweiten Substrat gequetscht und an der Stellen, an der sich die Richtungsgeberstruktur befindet, mit verschweißt wird. Eine derartige Richtungsgeberstruktur 12 kann durch ein Spritzguss- oder Heißprägeverfahren und/oder durch Photolithographie, in das erste 1 und zweite 2 Substrat eingebracht werden.
Das Ultraschallschweißen hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls gegenüber dem Thermokompressionsschweißen als vorteilhaft erwiesen, da nicht alle Fügepartner komplett erwärmt werden, sondern nur in der Fügeebene erwärmt werden. Darüber hinaus ist das Ultraschallschweißen vorteilhafterweise ein sehr günstiges Verfahren mit sehr kurzen Taktzeiten. Gegenüber dem Laserdurchstrahlschweißen weist es ferner den Vorteil auf, dass alle Fügepartner transparent und Absorber-frei sein können.
Hinsichtlich weiterer verfahrenstechnischer Merkmale und Vorteile wird hiermit explizit auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen Ventils verwiesen.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Ventils, eines erfindungsgemäßen Chips und/oder einer erfindungsgemäßen Pumpe in mikrofluidischen, insbesondere druckgetriebenen, Systemen; zum Öffnen und Schließen von Kanälen, insbesondere in 2 ½D Strukturen; zur Änderung des fluidischen Widerstandes, insbesondere durch lokales Einstellen des Kanalquerschnitts; als peristaltische Pumpe mittels drei hintereinander geschalteten Ventilen die periodisch geöffnet und geschlossen werden; zum Messen von Flüssigkeitsvolumina, insbesondere durch definierten Abstand der Ventile zueinander; und/oder zum Mischen von Flüssigkeiten.

Claims

Quetschventil, insbesondere mikrofluidisches Quetschventil, umfassend ein erstes (1), zweites (2) und drittes (3) Substrat, – wobei das dritte Substrat (3) aus einem elastischen Material ausgebildet ist und zwischen dem ersten (1) und zweiten (2) Substrat angeordnet ist, – wobei das erste Substrat (1) an das dritte Substrate (3) angrenzt und an der an das dritte Substrat (3) angrenzenden Seite mindestens eine erste Aussparung (4) aufweist, – wobei das zweite Substrat (2) an das dritte Substrate (3) angrenzt und an der an das dritte Substrat (3) angrenzenden Seite mindestens eine zweite Aussparung (5) aufweist, – wobei die erste Aussparung (4) und die zweite Aussparung (5) einander zumindest teilweise gegenüber angeordnet sind.
Quetschventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Quetschventil durch eine externe Druckvorrichtung aktivierbar, insbesondere teilweise oder vollständig schließbar oder öffenbar ist.
Quetschventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Aussparung (4) mit einer elektrisch beheizbaren, insbesondere in das erste Substrat (1) integrierten, Druckkammer (6) verbunden ist.
Quetschventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Druckkammer (6) ein Heizwendel (8) angeordnet ist, der über zwei durch das erste Substrat (1) geführte Leiterbahnen (7a, 7b) an eine externe Spannungs- und/oder Stromversorgungsvorrichtung (9) angeschlossen ist.
Quetschventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Substrat (2) an der an das dritte Substrate (3) angrenzenden Seite mindestens eine dritte Aussparung (5b) aufweist, welche zu der zweiten Aussparung (5a) benachbart angeordnet ist, wobei die zweite Aussparung (5a) und die dritte Aussparung (5b) zumindest teilweise gegenüber der ersten Aussparung (4) angeordnet sind.
Quetschventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Substrat (3) eine Elastomerfolie ist.
Quetschventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das das erste (1), zweite (2) und/oder dritte (3) Substrat aus einem thermoplastischen Elastomer ausgebildet ist.
Mikrofluidischer Chip, insbesondere Biochip, umfassend mindestens ein Quetschventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Peristaltische Pumpe, umfassend mindestens ein Quetschventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zur Herstellung eines Quetschventils nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder eines Chips nach Anspruch 8 und/oder einer peristaltischen Pumpe nach Anspruch 9, umfassend die Verfahrensschritte: – Bereitstellen eines ersten (1) und eines zweites (2) Substrats mit jeweils mindestens einer Aussparung (4, 5); – Bereitstellen eines dritten elastischen Substrates (3); und – Verbinden des ersten Substrates (1) mit dem dritten Substrat (3) und des dritten Substrates (3) mit dem zweiten Substrat (2).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (1, 2, 3) durch eine Schweiß- und/oder Klebetechnik miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (1, 2, 3) durch Thermokompressionsschweißen, Laserdurchstrahlschweißen und/oder Ultraschallschweißen miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste (1) und/oder zweite (2) und/oder dritte (3) Substrat einen schwarzen Farbstoff und/oder einen anderen Absorber umfasst und/oder mindestens eine Fügelinie (11) aus einem schwarzen Farbstoff und/oder einem anderen Absorber aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen der Verfahrensschritte: – Einbringen eines schwarzen Farnstoffs und/oder eines anderen Absorbers in ein Substrat (1, 2, 3); und/oder – Aufdrucken von mindesten einer Fügelinie (11) auf mindestens ein Substrat (1, 2, 3) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste (1) und/oder zweite (2) und/oder dritte (3) Substrat mindestens eine Richtungsgeberstruktur (12), insbesondere eine Energierichtungsgeberstruktur (12), aufweist.