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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Handhabung von Flüssigkeiten für chemische oder
biochemische Prozesse und insbesondere für analytische
Zwecke, sowie Verwendungen dieser Vorrichtung bzw. des Verfahrens.
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Stand der Technik
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Zur
Durchführung von chemischen oder biochemischen Prozessen
werden miniaturisierte Vorrichtungen verwendet, beispielsweise sogenannte Fluidikelemente.
Bei der Anwendung von Fluidikelementen, von flachen Trägern
mit Kanälen und Kavitäten, beispielsweise zur
biochemischen Analytik, ist es zunächst wünschenswert
verschiedene Kanäle bzw. Kavitäten getrennt mit
Flüssigkeiten oder Reagenzien zu befüllen. Zusätzlich
erwünscht sind Funktionen wie Sammeln, Mischen und Dosieren
von Flüssigkeiten. Für solche Handhabungen ist
es notwendig den Flüssigkeitstransport zu lenken und/oder Kanäle
bzw. Kavitäten reversibel voneinander abzutrennen oder
zu verschließen. Insbesondere ist es erforderlich, in den
Kavitäten vorhandene Reagenzien kontrolliert aufzulösen
und/oder gezielt chemische oder biochemische Reaktionen auszulösen.
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Im
Labor werden letztere Vorgänge meist in separaten Anordnungen
durchgeführt. In Fluidikelementen werden komplexe fluidische
Funktionen, wie Befüllung und Mischung mit extern angeordneten Ventilen,
Steuerungen und Flüssigkeitszuführungen realisiert.
Die Realisierung dieser Schritte außerhalb der Fluidikelemente
erfordert besondere konstruktive Aufwendungen und schränkt
die gezielte Beeinflussung der Flüssigkeitshandhabung besonders
in separierten Bereichen des Fluidikelementes stark ein.
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Gebräuchlich
sind auch Fluidikelemente und Kartuschen, in denen die Kapillarkräfte
von Kanälen oder Kammern für Befüllung
und Mischung und Flüssigkeitszuführungen genutzt
werden. Der Nachteil dabei ist, dass nur passive Einmalvorgänge
ohne Steuerung realisiert werden können.
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Aus
dem Stand der Technik sind mikrofluidische Vorrichtungen bekannt,
beispielsweise in Form unterschiedlicher Kartuschen zum Transport
und zur Mischung von Flüssigkeiten, insbesondere für
analytische Anwendungen.
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In
US 2007/0183935 ist
eine aus zwei Hälften bestehende mikrofluidische Mischeinrichtung
beschrieben, wobei in Kanälen befindliche Flüssigkeiten
mit Hilfe von zwei wechselseitig betriebenen Balgpumpen gemischt
werden.
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In
DE 10 2004 050 510
A1 wird die Ventilsteuerung einer Thermozyklisierung in
einer PCR-Kammer beschrieben, gemäß der die Kammer durch
thermische Ausdehnung eines Metallelementes temperaturabhängig
versperrt wird.
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Die
Befüllung eines Fluidikelementes mit Wasser wird entsprechend
der
DE 10 2006
024 149 A1 durch Durchstechen einer speziell ausgeführten fluidischen
Schnittstelle zwischen Steuergerät und Fluidikelement realisiert.
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Die
oben beschriebenen Lösungen sind ungeeignet für
die Realisierung von universellen mikrofluidischen Vorrichtungen
z. B. für steuerbare Sammel-, Dosier- und Mischfunktionen.
Auch für die Herstellung von kostengünstigen und
effektiv herstellbaren mikrofluidischen Produkten, die nicht auf
spezifische Prozesse abgestellt sind und auch umkehrbare Fließrichtungen
zulassen, sind diese bekannten Systeme ungeeignet. Insbesondere
sind sie durch besondere konstruktive Maßnahmen und ggf.
besondere Materialien für kostengünstige industrielle
Fertigungsverfahren ungeeignet.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, einen oder mehrere der oben beschriebenen
Nachteile des Standes der Technik zu vermindern oder ganz zu vermeiden.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Die
Aufgabe wird gelöst durch Bereitstellung einer Vorrichtung
zur Handhabung von Flüssigkeiten, beinhaltend
- 1) einen Träger, umfassend
a) einen oder mehrere
Hohlräume, die als Kanäle und/oder Kavitäten
ausgebildet sind und den Transport von Flüssigkeit erlauben;
b)
eine oder mehrere Ein- und/oder Auslassöffnungen, die einen
Flüssigkeitseintrag bzw. -austrag in und/oder aus einem
Hohlraum a) und/oder einem Träger gestatten;
c) ein
oder mehrere verschließbare Ventile, die derart mit einem
Hohlraum a) verbunden sind, dass ein Flüssigkeitsstrom
im Träger geregelt werden kann, wobei mindestens ein Ventil
einen Ventilsitz aufweist, der derart in einen Träger als Vertiefung
eingelassen ist, dass sich der Ventilsitz an einer von außen
zugänglichen Oberfläche eines Trägers
befindet und der Ventilsitz eine Form aufweist, in die ein formentsprechender
externer Aktuator im Wesentlichen passgenau einsetzbar ist;
- 2) eine elastische Folie, die mindestens einen Teil der Oberfläche
des Trägers bedeckt und einen Ventilsitz eines verschließbaren
Ventils c) derart überdeckt, so dass zwischen Folie und
Träger ein Hohlraum entsteht und die elastische Folie,
durch mechanisches Einpressen der Folie über einem Ventilsitz
durch einen dem Ventilsitz formentsprechenden, externen Aktuator,
einer Oberfläche des Ventilsitzes anlagerbar ist und dadurch
ein Ventil c) verschließbar ist.
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Der
Träger weist ein Hohlraumsystem bestehend aus Kanälen
und Kavitäten auf, das funktional mit Ein- und Auslässen
derart verbunden ist, dass ein Flüssigkeitsstrom von einem
Einlass über das Hohlraumsystem zu einem Auslass herstellbar
ist. Zur Regulation des Flüssigkeitsstroms weist die Vorrichtung verschließbare
Ventile auf, die von außen durch externe Aktuatoren steuerbar
sind. Zum Verschließen eines Ventils drückt ein
externer Aktuator eine Folie derart in einen Ventilsitz, dass ein
Flüssigkeitsstrom über das Ventil verlangsamt
oder sogar ganz zum Erliegen kommt. Baulich ist dieser Ventilaufbau
unabhängig von einer bestimmten Strömungsrichtung,
so dass sich ein solches Ventil besonders eignet für eine Verwendung
in einer Vorrichtung, in der sich die Fliessrichtung eines Flüssigkeitsstroms
im Verlauf der Verwendung ein oder mehrmals ändert.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Träger
auf. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung werden die
Begriffe „Träger” und „Trägerelement” austauschbar
verwendet. Dieser Träger kann grundsätzlich aus
jedem Material bestehen in welchem ein oder mehrere Hohlräume
a), Ein- und/oder Auslassöffnungen b) und verschließbare
Ventile c) darstellbar sind. Bevorzugt weist der Träger
ein Material auf, welches ausgewählt ist aus Silizium,
Siliziumverbindungen, Glas, Keramik, Metall, Papier, einem oder
mehreren Polymeren oder Kombinationen davon. Dem Fachmann sind Verfahren
zur Herstellung eines solchen Trägers bekannt. Bestimmte
Materialien können sich besonders für bevorzugte
Verfahren zur Herstellung des Trägers eignen. So eignen
sich Polymere besonders gut zur Fertigung von Trägern durch
Fräsen, Gravieren, Abformen oder aufbauende Polymerisation.
Dagegen sind Glas, Silizium und Siliziumverbindungen besonders geeignet zur
Strukturierung mittels Ätzen oder Laserbehandlung. Auch
Keramik oder Papiere können durch Form- und/oder Prägetechniken
oder Laserbehandlung in ähnlicher Weise strukturiert werden.
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Der
Träger kann aus einem Stück gefertigt sein oder
aus mehreren Teilen bestehen oder zusammengesetzt sein.
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Des
Weiteren kann der Träger auf Teilen oder allen seinen Oberflächen
Beschichtungen aufweisen. Diese Beschichtungen können je
nach Verwendungszweck der Vorrichtung und Lage im Träger funktionalisierte
Oberflächen aufweisen.
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Der
Träger hat bevorzugt eine flache planare Form, besonders
bevorzugt weist der Träger in seiner Grundform eine Quaderform
auf. Ist der Träger in Quaderform, so weist der Quader
in einer bevorzugten Form eine Breite von 5 bis 50 mm, eine Höhe
von 1 bis 5 mm und/oder eine Länge von 50 bis 200 mm auf.
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In
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der
Träger einen oder mehrere Hohlräume auf. Diese
Hohlräume sind mindestens teilweise als Kanal und/oder
Kavität ausgebildet. Die Kanäle und/oder Kavitäten
erlauben dabei den Transport von Flüssigkeiten, d. h. mindestens
ein Teil der Oberflächen der Kanäle und/oder Kavitäten
sind derart ausgestaltet, dass eine vorher bestimmte Flüssigkeit
im Wesentlichen nicht aus den Hohlräumen in das Trägermaterial
austritt/leckt. Die Hohlräume des Trägers bilden
ein Netzwerk von Verbindungen, durch die ein Flüssigkeitsstrom
geleitet werden kann. Dieses Flüssigkeitsnetzwerk kann
Kavitäten aufweisen, die als Reaktionsräume oder
als Reservoire ausgestaltet sein können. Weist die Vorrichtung
mehrere Hohlräume auf, so können sich diese auf
einer gemeinsamen Ebene befinden oder auf unterschiedlichen Ebenen angeordnet
sein. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße
Vorrichtung mehrere Hohlräume auf und mindestens zwei dieser
Hohlräume sind nicht auf derselben Ebene des Trägers angeordnet.
Der Träger weist in diesem Fall also Hohlräume
auf mindestens zwei Ebenen auf.
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Ein
oder mehrere Hohlräume a) des Trägers können
mit einer oder mit verschiedenen Flüssigkeiten gefüllt
sein. In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung weist mindestens ein Hohlraum a) des Trägers
eine Flüssigkeit und/oder ein Reagenz auf, wobei das Reagenz
auch als Feststoff vorliegen kann.
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Das
Flüssigkeitsnetzwerk des Trägers kann funktional
mit einer oder mehreren Ein- und/oder Auslassöffnungen
derart funktional verbunden sein, so dass ein Flüssigkeitsstrom
von einer Einlassöffnung über einen Hohlraum hin
zu einer Auslassöffnung ermöglicht wird. Die Ein-
und/oder Auslassöffnungen des Trägers dienen einem
Flüssigkeitseintrag bzw. -austrag aus einem Hohlraum und/oder
einem Träger. Dabei können eine oder mehrere Ein- und/oder
Auslassöffnungen in einem Träger und/oder in einer
Folie 2) angeordnet sein. Über eine Einlassöffnung
kann einem Träger eine Flüssigkeit zugeführt
werden, beispielsweise durch Injizieren oder durch eine externe
Pumpvorrichtung. Ein Flüssigkeitsstrom kann in einem Flüssigkeitsnetzwerk des
Trägers ebenfalls durch einen externen Antrieb über
eine Einlassöffnung hergestellt werden. Ein solcher externer
Antrieb kann z. B. eine Pumpe sein. Alternativ kann ein solcher
Flüssigkeitsstrom beispielsweise auch durch Anlegen einer
Saugkraft oder eines Unterdrucks an einer Auslassöffnung
erzeugt werden. Durch abwechselndes Anlegen eines Über-
und eines Unterdrucks an einer Ein- bzw. einer Auslassöffnung
kann die Richtung eines Flüssigkeitsstroms gezielt umgekehrt
und wahlweise gewechselt werden. Ein solches Wechseln der Flussrichtung
kann einen Lösungs- und/oder einen Mischvorgang im Träger
erlauben bzw. besonders effektiv gestalten.
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Die
Topologie bzw. die Anordnung und Verschaltung der Hohlräume
und der Ein- und Austassöffnungen im Träger lässt
sich frei wählen und kann für den jeweiligen Zweck
bestimmt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist
die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Kombination
von Hohlräumen, Ein- und Auslassöffnungen und
Ventilen c) auf, die eine Separation, ein Zusammenführen,
eine Dosierung und/oder ein Mischen von Flüssigkeiten erlaubt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Träger
auf, der ein oder mehrere verschließbare Ventile c) enthält.
Ein solches Ventil c) ist dabei derart mit einem Hohlraum a) verbunden,
dass ein Flüssigkeitsstrom im Träger geregelt
werden kann. Ein Ventil c) kann also in einem Flüssigkeitsnetzwerk
des Trägers so angebracht sein, dass es einen Flüssigkeitsstrom
entweder zulässt oder unterbindet. Es sind auch Einstellungen
zwischen diesen beiden Extremen denkbar. So kann über ein
Ventil c) eine Fliessgeschwindigkeit in einem Hohlraum des Trägers
reguliert und auf einen vorher festgelegten Wert eingestellt werden.
Durch geeignete Kombination von Hohlräumen a), Ein- und
Auslassöffnungen b) und Ventilen c) lassen sich für
viele Verwendungen komplexe regelbare Flüssigkeitsströme
in einem Trägerelement darstellen und erzeugen.
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Ein
Ventil c) weist einen Ventilsitz auf, der derart in den Träger
als Vertiefung eingelassen ist, dass sich der Ventilsitz an einer
von außen zugänglichen Oberfläche des
Trägers befindet. Diese Positionierung des Ventilsitzes
erlaubt die Steuerung des Ventils von außen und führt
dazu, dass bei einem erfindungsgemäßen Ventil
c) auf bauliche Ausgestaltungen verzichtet werden kann, die eine
interne Steuerung des Ventils zum Ziel haben. Das Ventil c) ist
somit nicht an eine Flussrichtung angepasst und kann für
verschiedene Flussrichtungen in gleichem Maße verwendet
werden. Weiter weist der Ventilsitz eine Form auf, in die ein formentsprechender
Aktuator im Wesentlichen passgenau einsetzbar ist. Unter einem Aktuator
wird dabei ein Mittel verstanden, welches die Steuerung eines Ventils
c) von außen durch Erzeugung eines mechanischen Drucks
erlaubt. Dabei sind Aktuator und dazugehöriger Ventilsitz
derart aufeinander abgestimmt, dass die Oberfläche des
Aktuators, die zum mechanischen Einpressen verwendet wird, im Wesentlichen
passgenau in den Ventilsitz passt, wobei die Winkelrichtung des
mechanischen Einpressvorgangs zu berücksichtigen ist und
in Betracht gezogen werden muss, dass zwischen Aktuator und Ventilsitz
noch eine Folie 2) zum Liegen kommt. Aktuator, Ventilsitz und Folie
2) sind bevorzugt so aufeinander abgestimmt, dass ein Ventil c) bei
eingepresstem Aktuator durch eine Folie 2) derart geschlossen wird,
dass ein Flüssigkeitsstrom über dieses Ventil
c) vollständig unterbrechbar ist.
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Insbesondere
können ein oder mehrere der verschließbaren Ventile
derart funktional in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
angeordnet sein, dass ein Flüssigkeitsstrom von einer ersten
flüssigkeitsführenden Ebene in eine zweite flüssigkeitsführende Ebene
der Vorrichtung regulierbar und/oder steuerbar zulassbar und/oder
unterbindbar ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung weist mindestens
eine elastische Folie auf, die mindestens einen Teil der Oberfläche
des Trägers bedeckt. Insbesondere überdeckt die
Folie 2) einen oder mehrere Ventilsitze derart, dass zwischen Folie
und Träger ein Hohlraum über dem Ventilsitz entsteht.
Dabei ist die elastische Folie 2) so angebracht, dass sich die Folie durch
mechanisches Einpressen mittels einem, dem Ventilsitz formentsprechenden,
externen Aktuator, in Richtung des Ventilsitzes dehnt und sich der
Oberfläche des Ventilsitzes anlagern kann. Durch erfolgte Anlagerung
der elastischen Folie an eine Oberfläche des Ventilsitzes
ist ein Ventil c) verschließbar ausgestaltet. Die Folie
2) ist dabei aus einem Material hergestellt, welches ausreichend
elastisch ist, um ein bevorzugt mehrfaches Dehnen der Folie bis
auf eine Oberfläche eines Ventilsitzes zu erlauben, ohne
dass die Folie der Belastung nicht mehr standhält. Daneben
ist die Folie 2) derart beschaffen, dass eine Flüssigkeit,
die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehandhabt
werden soll, die Folie nicht ohne weiteres durchdringen kann. Geeignete
Materialien sind dem Fachmann bekannt. Bevorzugt bedeckt eine Folie
2) im Wesentlichen eine ganze Oberfläche eines Trägers.
Dies kann insbesondere aus fertigungstechnischen Gründen
besonders sinnvoll sein.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Handhabung
von Flüssigkeiten, umfassend die Schritte:
- i) Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- ii) Bereitstellen einer oder mehrerer Flüssigkeiten;
- iii) gezielte Regulierung eines Flüssigkeitsstromes
in einem oder mehreren Hohlräumen a) des Trägers 1)
durch Öffnen und/oder Schließen mindestens eines
verschließbaren Ventils c), wobei eine Folie 2) durch einen
externen Aktuator von außen in einen Ventilsitz gepresst
oder eine Folie 2) durch Entfernen eines externen Aktuators aus einem
Ventilsitz gelöst wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren kann so betrieben werden,
dass ein Flüssigkeitsstrom in wechselnden Richtungen reguliert
wird. Dabei kann eine Regulation eines Flüssigkeitsstroms
in wechselnden Richtungen einen Lösungs- und/oder einen Mischvorgang
bewirken und/oder befördern.
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Insbesondere
können in dem erfindungsgemäßen Verfahren
eine oder mehrere, gleiche oder verschiedene Flüssigkeiten
aus Schritt ii) einem Hohlraum a) des Trägers 1) über
eine oder mehrere Einlassöffnungen zugeführt werden.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Verwendung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung oder des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Durchführung eines chemischen und/oder biochemischen
Prozesses bzw. zur Analytik.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Verwendung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Aufteilen, Zusammenführen, Dosieren und/oder Mischen
von Flüssigkeiten, oder zur Lösung von einem oder
mehreren Reagenzien, die in einem Hohlraum a) bevorratet sind, wobei
mindestens eines der zu lösenden Reagenzien als Feststoff
vorliegen kann, und/oder wobei der Lösungsvorgang durch mehrfachen
regulierten Richtungswechsel des Flüssigkeitsstroms in
einem Hohlraum a) vermittelt wird.
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Daneben
bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf eine Anlage zur
Steuerung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
wobei die Anlage folgende Elemente umfasst:
- A)
eine Aufnahmevorrichtung für eine erfindungsgemäße
Vorrichtung;
- B) einen oder mehrere Aktuatoren, die in einen oder mehrere
gleiche oder unterschiedliche Ventilsitze einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung im Wesentlichen passgenau einsetzbar sind;
- C) eine Steuereinheit, die eine gezielte Aktivierung einzelner
oder mehrerer vorher festlegbarer Aktuatoren zu einem vorher festlegbaren
Zeitpunkt und/oder über einen vorher festlegbaren Zeitraum
erlaubt, wobei nach erfolgter Aktivierung ein mechanisches Einpressen
einer Folie einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
durch den ausgewählten, aktivierten Aktuator erfolgt.
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Die
erfindungsgemäße Anlage erlaubt die automatisierte
Abarbeitung eines vorher festgelegten zeitlichen Ablaufs von Öffnungs-
und/oder Schließvorgängen ausgewählter
Ventile c) einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Anlage kann dabei so programmiert werden, dass diese selbständig
die Abarbeitung eines ausgewählten Vorgangs durchführt
unter Nutzung einer vorgegebenen Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung. Aus dem Zusammenwirken der Programmierung einer erfindungsgemäßen
Anlage und der baulichen Vorgaben einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung ergeben sich eine Vielzahl von Nutzungsmöglichkeiten
für ein automatisiertes Handhaben von Flüssigkeiten,
beispielsweise ein Aufteilen, ein Zusammenführen, ein Dosieren
und/oder ein Mischen von verschiedenen oder gleichen Flüssigkeiten.
Dadurch lassen sich eine Vielzahl sowohl chemischer als auch biologischer
Prozesse und Reaktionen in einer vorteilhaften Art und Weise automatisiert
und miniaturisiert ausführen.
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Insbesondere
weist die vorliegende Erfindung folgende Vorteile auf:
- – die Funktionen Dosieren, Mischen, Sammeln oder Splitten
von Flüssigkeiten sind in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung möglich und frei kombinierbar;
- – es wird ein beliebiges Wechseln der Flussrichtung
in der Vorrichtung ermöglicht;
- – das reversible und druckfeste Absperren von Verbindungen
in der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann parallel
und unabhängig erfolgen;
- – zur Herstellung der Vorrichtung können bekannte
kostengünstige, industriell erprobte und volumenfähige
Verfahren genutzt werden;
- – in der Vorrichtung werden keine mechanisch bewegten
Teile eingesetzt;
- – es werden keine Sondermaterialien und Spezialteile
verwendet;
- – die erfindungsgemäße Vorrichtung
ist austauschbar.
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Figuren:
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Es
zeigen in jeweils schematischer Darstellung
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1a Ansicht erfindungsgemäße
Vorrichtung
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1b Querschnitt erfindungsgemäße
Vorrichtung
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2a Querschnitt Ventilanordnung offen
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2b Querschnitt Ventilanordnung geschlossen
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3a Querschnitt Flüssigkeitszuführung vor
Injektion
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3b Querschnitt Flüssigkeitszuführung nach
Injektion
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4a Anordnung 1/4 Ventil, Aufsicht Ebene
A
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4b Anordnung 1/4 Ventil, Aufsicht Ebene
B
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5a Anordnung Mischer, Aufsicht Ebene A
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5b Anordnung Mischer, Aufsicht Ebene B
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6a erfindungsgemäße
Vorrichtung in der Aufsicht auf Ebene A
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6b erfindungsgemäße
Vorrichtung in der Aufsicht auf Ebene B
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7a perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen
Vorrichtung aus 6b
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7b perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen
Vorrichtung aus 6a
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Ausführungsbeispiele
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden
Ausführungsbeispielen und anhand der Figuren.
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In 1a ist
eine erfindungsgemäße Vorrichtung in perspektivischer
Ansicht dargestellt, die zeigt wie der Träger/das Trägerelement 1 von
einer Folie 2a auf der Ebene A und einer Folie 2b auf
der Ebene B bedeckt ist. Die Zufuhr und Ableitung von Flüssigkeiten
erfolgt durch verschiedene Einlass- bzw. Auslassöffnungen 3a, 3b und 3c in
den Folien oder durch ein geeignetes Einlass-/Auslassröhrchen 8. Über
den Ventilsitzen 6a, 6b und 6c, die jeweils von
der Folie 2a bedeckt sind, sind extern kontrollierte und
bewegte Stempel/Aktuatoren 7a, 7b und 7c angeordnet.
Bei praktischem Betrieb wird ein Flüssigkeitstransport
in der erfindungsgemäßen Vorrichtung mittels einer
oder mehrerer konventioneller Pumpen mit umkehrbaren Flussrichtungen
realisiert, wie z. B. Peristaltikpumpen, Zahnradpumpen oder Kolbenpumpen,
die an eine oder mehrere Einlass-/Auslassöffnungen 3a bis 3c oder
an das Einlass-/Auslassröhrchen 8 angeschlossen
sind. Flüssigkeitszuführungen können über
Einlass-/Auslassöffnungen 3a bis 3c beispielsweise
mittels Injektoren erfolgen, die in 4 gezeigt
sind, oder z. B. durch alternativ anpressbare Adapter die mittels
Dichtungen mit der Vorrichtung verbunden sind.
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Der
Querschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in 1b zeigt, dass Kanäle 5a bis 5c und
Kavitäten 4a bis 4d im Trägerelement 1 eingearbeitet
sind und wahlweise auf mehrere Ebenen, beispielsweise Ebene A und
Ebene B verteilt sein können. Insbesondere können
dabei die Kanäle 5a bis 5c unterschiedliche
Strukturen aufweisen, die der jeweiligen Anwendung angepasst sind.
Die beiderseitige Abdeckung mit den Folien 2a und 2b kann
bei der Bildung von Kanälen und Kavitäten mit
eingesetzt werden. Die Einlass- bzw. Auslassöffnungen 3a bis 3d und
das Einlass-/Auslassröhrchen 8 sind wahlweise
mit gleichen oder unterschiedlichen Kanalsystemen verbunden. Durch
die Verbindungskanäle, beispielsweise 5b und 5c,
können die Ebenen A und B miteinander verbunden sein. Ein
Flüssigkeitsstrom von einer Einlassöffnung, beispielsweise 3a,
hin zu einer Auslassöffnung, beispielsweise 3c,
ist über Kavitäten, beispielsweise 4a,
und Kanäle, beispielsweise 5b, möglich.
Damit der Flüssigkeitsstrom regelbar ist, ist Ventilsitz 6 vorgesehen.
Die Dimensionierung der Kavitäten und Kanäle ist
frei wählbar, wobei Strukturmaße zwischen 0,1
mm und 10 mm bevorzugt werden. Dadurch sind die, durch die angegebene
Anordnung üblicherweise als Mikrofluidik bezeichneten,
Systeme ebenso zu realisieren, wie miniaturisierte oder voluminösere
Fluidiksysteme.
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In 2 sind
Details der Ventilfunktion gezeigt. Dabei wird Folie 2a mittels
des Stempels 7 in einen Ventilsitz 6 im Träger 1 eingepresst.
Die konvexe Form des Stempels 7 entspricht dabei im Wesentlichen
passgenau der konkaven Form des Ventilsitzes 6, so dass
die elastische Folie 2a eingedrückt wird und eine
passgenaue Dichtung bildet, die einen Flüssigkeitsstrom
von einer Einlassöffnung 3a hin zu einer Auslassöffnung 3b (oder
umgekehrt) unterbrechbar macht. 2a zeigt
dabei die Anordnung vor und 2b nach
Verschließen des Ventils. Einlass 3a und Kavität 4a in
der Ebene A wird durch diesen Schließvorgang zum Verbindungskanal 5 zu Ebene
B mit Kavität 4b und Auslass 3b druckfest
abgetrennt.
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In 3 sind
Details einer Möglichkeit der Flüssigkeitszuführung
in die erfindungsgemäße Vorrichtung mittels Injektor
gezeigt. Dabei wird Folie 2a über einer Einlassöffnung 3 im
Träger 1 mittels Injektor 9, z. B. als
angespitzte Hohlnadel ausgeführt, penetriert. 3a zeigt dabei die Anordnung vor und 3b nach Penetration. Ein O-Ring 10 um
die Hohlnadel dient dabei als Abdichtung zur Vorrichtung. Nachdem
die Spitze des Injektors 9 die Folie 2a durchstoßen
hat, kann durch den eröffneten Einlass 3a über
den Kanal 5 Flüssigkeit oder ein Feststoff in die
Kavität 4 der Vorrichtung eingebracht werden.
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4a zeigt die Ausbildung für ein
Anwendungsbeispiel schematisch als Aufsicht auf das Trägerelement 1 in
Ebene A. Flüssigkeit wird durch eine Einlassöffnung 3 und
durch Kavität 4 vier verschiedenen Ventilen mit
Ventilsitzen 6a bis 6d zugeführt. Eine
Weiterleitung erfolgt durch die Verbindungskanäle 5a bis 5d und
die Kavitäten 4a bis 4d zu vier Auslassöffnungen 3a bis 3d in
Ebene B. Durch die erfindungsgemäße Ventilsteuerung,
wird Flüssigkeit in frei wählbaren Mengen von
einer Einlassöffnung 3 regelbar zu den Auslassöffnungen 3a bis 3d geführt oder
umgekehrt. Durch Umkehrung der Fließrichtung in 4,
fließen Flüssigkeiten durch beliebige Einlässe 3a bis 3d in
Ebene B zu dem Auslass 3 in Ebene A. Dabei werden mit der
gleichen Anordnung durch die Verbindungskanäle 5a bis 5d verschiedene Flüssigkeiten
aus den Kavitäten 4a bis 4d in der Kavität 4 der
Ebene A zusammengeführt und durch den Auslass 3 in
der Ebene A entnommen. Auf diese Weise werden unterschiedliche Flüssigkeiten
zusammengeführt und vermischt. Ebenso können eine
oder mehrere Flüssigkeiten präzise in eine Trägerflüssigkeit
dosiert werden.
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Mit
der beschriebenen Anordnung der zwei Flüssigkeitsebenen
und der Ventilfunktion ist in 5 eine beispielhafte
Ausführung für einen speziellen Mischer oder Dosierer
angegeben. Dabei werden zwei Flüssigkeitseinlässe 3a und 3b in
getrennten Kavitäten 4a und 4b der Ebene
A jeweils über vorstehend beschriebene Ventilanordnungen 6a und 6b und
Kanäle 5a und 5b in Ebene B zusammengeführt
und über eine mäanderförmige Kavität 4 mit Mischfunktion über
Auslass 3 entnommen. Durch frei wählbare Verschlusszeiten
der Ventile wird das präzise Mischen oder Dosieren oder
eine Fliessinjektion erreicht. Dieses Prinzip ist durch die Erhöhung
der Anzahl der Einlässe und Ventile beliebig erweiterbar, so
dass verschiedene Flüssigkeiten auch zeitversetzt vereinigt
werden und z. B. Reaktionsabläufe chemischer oder biochemischer
Reaktionen gesteuert oder initiiert werden können.
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In 6 ist
eine besondere Ausführung der Erfindung in Form einer mikrofluidischen
Kartusche zur Anwendung in der biochemischen Analytik gezeigt. 6a zeigt die Kartusche in der Aufsicht
auf Ebene A, 6b zeigt die Kartusche
in der Aufsicht auf Ebene B, 7a zeigt
die Kartusche perspektivisch mit Sicht auf Ebene B, 7b zeigt
die Kartusche perspektivisch mit Sicht auf Ebene A.
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In
allen Ansichten ist das Trägerelement 1 mit den
in der Ebene A und in der Ebene B sichtbaren Einlass- bzw. Auslassöffnungen 3a bis 3d verbunden,
die es gestatten Flüssigkeit entweder in die Kartusche
oder aus der Kartusche heraus zu befördern. Das Trägerelement 1 ist
3 mm dick, 25 mm breit und 120 mm lang. Die notwendige Abdeckung
mit Folien 2a und 2b gemäß der
Anordnung in 1a ist in 6 und 7 nicht
dargestellt. Verbindungskanäle 5c bis 5f führen
in 6a und 6b zu
vier Ventilsitzen 6a bis 6d in Ebene A. Die Verbindungskanäle 5c bis 5f verbinden
dabei die beiden Ebenen A und B in über die Ventilsitze 6a bis 6d regelbarer
Weise, siehe 6a und b, sowie 7a und 7b.
Die Verbindungskanäle 5a bis 5f weisen
eine Höhe von 0,1 mm bis 2 mm und eine Breite von 0,5 mm
bis 4 mm auf.
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In
dieser Ausführung dienen die Ventilsitze 6a bis 6d dem
kontrollierten Abschluss von zwei Kavitäten 4d und 4e in 6b und 7a.
Damit gelingt es, diese Kavitäten 4d und 4e kontrolliert
zu befüllen und sie für die Ausführung
von chemischen Reaktionen, wie beispielsweise PCR-Reaktionen, bei Temperaturen
von 95°C dicht zu verschließen. Damit die Kavitäten 4d und 4e einer
raschen Thermoregulation zuführbar sind, wird in diesem
Bereich das Trägerelement 1 derart ausgestaltet,
dass nur Stützelemente 1' bestehen bleiben, wie
in 6a und 7b gezeigt.
Diese Entfernung von Trägermaterial ist in 7b sichtbar
als grubenähnliche Ausgestaltung 1''. Durch diese
Verminderung der Wandstärken und der zu temperierenden
Masse dieser, der PCR dienenden, Kavitäten 4d und 4e werden
in diesen Heiz- bzw. Kühlraten von 8 bis 15°K/sec
erreicht.
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In 6a, b und 7a und
b sind verschiedene mäanderförmige Kavitäten 4a bis 4c dargestellt.
Sie können wahlweise mit verschiedenen trockenen oder flüssigen
Reagenzien befüllt werden und erlauben deren Auflösen
und Mischen mit Flüssigkeiten. Ebenso werden sie genutzt
für das Vermischen vor und während der biochemischen
Reaktionen durch wechselweise Änderung der Richtung des
Flüssigkeitsstromes.
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In
der mikrofluidischen Kartusche gemäß 6a, b und 7a,
b wird die nach der PCR-Reaktion vervielfältigte DNA mit
einem elektrischen Mikroarray 11 analysiert. Einem üblichen
Verfahren zur DNA-Hybridisierung folgend, wird dazu mittels einer
externen Peristaltikpumpe ein Flüssigkeitsstrom in die
erfindungsgemäße Vorrichtung injiziert, mit den
erhaltenen PCR-Produkten vermischt und auf das mit Nukleotidfängern
beschichtete elektrische Mikroarray 11 befördert.
Die Analyse der DNA erfolgt nach bekannten Prinzipien durch Enzymmarkierung
und elektrische Detektion.
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Einige besondere Ausführungen:
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, sind die Kanäle und/oder Kavitäten
des planaren Trägers in den Ebenen A und B in verschiedenen
Materialien mit technisch üblichen Fertigungsverfahren
realisierbar. Bevorzugt bietet sich an, Polymere durch Fräsen,
Gravieren, Laseraberration, Abformen oder aufbauende Polymerisation
zu strukturieren. Silizium, Siliziumverbindungen und Glas lassen
sich fertigungsfreundlich ätzen oder auch mit Laser strukturieren.
Auch Keramik oder spezielles Papier können durch Form-
und Prägetechniken oder Laser in analoger Weise strukturiert
werden. Beschichtungen, Sandwichanordnungen und Materialkombinationen
ermöglichen dabei spezielle Eigenschaften der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zu realisieren. So werden Diffusionssperren mit Metallfolien
erreicht oder mit bekannten hydrophoben oder hydrophilen Beschichtungen
die Benetzungseigenschaften eingestellt. Auch für adsorptionshemmende
Eigenschaften werden bekannte Beschichtungen z. B. mit Silanen oder
geeigneten Polymeren kombiniert.
-
Die
Laminierung der Trägerelemente mit Folien wird bevorzugt
und kostengünstig ganzflächig ausgeführt
und durch thermische Verbindung oder Kleben erreicht. Die Elastizität
der Folien wird so gewählt, dass sowohl eine formstabile
Abdeckung der Kanäle und Kavitäten erreicht wird,
als auch das formschlüssige Einpressen in die Ventilsitze
und dichtender Abschluss gegeben ist.
-
Die
Ein- und Auslassöffnungen sind in der Folie und/oder dem
Träger angeordnet. Ihre Lage ist der jeweiligen Applikation
der erfindungsgemäßen Vorrichtung angepasst und
sie grenzen bevorzugt einseitig an einen Hohlraum, der als Ventilsitz
ausgebildet ist. Die Ausbildung der Ventilsitze selbst folgt einem
bewährten technischen Prinzip, wie es z. B. in Verbrennungsmaschinen
und in pneumatischen Steuerungen angewendet wird. Erfindungsgemäß wird
es zur Ausbildung der Vorrichtung durch die Kombination mit Folie
als Dichtung und den angegebenen Ebenen A und B für die
Mikrofluidik abgewandelt.
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Die
gewählte Festigkeit der Folien gestattet ihre Penetration
an Ein- und Auslassöffnungen mit Nadeln, Kanülen
oder ähnlichem wie beispielhaft in 3 angegeben.
Die Ein- und Auslassöffnungen können auch bei
der Fertigung mittels Bohren, Lasern oder Stanzen in die Folien
eingebracht werden. Mit Druck auf die Öffnungen aufgesetzte
und abdichtende Adapter bekannter Ausführung ermöglichen dabei
die Verbindung mit externen Flüssigkeitsreservoiren. Daneben
können die Flüssigkeiten durch alle denkbaren
Systeme, die hydraulischen Druck aufbauen können, wie z.
B. beliebige Pumpen oder Injektionssysteme in die Vorrichtung eingebracht
werden.
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Wie
in 4a gezeigt, wird ein Flüssigkeitsstrom
durch Aufspaltung in mehrere Kanalabzweigungen aufgeteilt und unterschiedlichen
Auslässen zugeführt und realisiert auf diese Weise
die Verteilung von Flüssigkeiten. Die Zahl der Öffnungen
und Ventile, sowie die Form und Lage der Kanäle und Kavitäten
ist frei wählbar und wird den Applikationen speziell angepasst.
Die einfache Umkehr der Flussrichtung erlaubt eine Zusammenführung
oder Mischung von Flüssigkeiten. Zur Mischung werden dabei
unterstützend kurze Richtungswechsel des Flüssigkeitsstromes
herangezogen. Auch die Anordnung von Richtungswechseln in einem
Kanal, wie bei Mäandern üblich, unterstützt
sehr effektiv die Mischung von Flüssigkeiten.
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Eine
Dosierung von Flüssigkeiten wird dadurch realisiert, dass
eine Anordnung wie in 5 gezeigt verwendet wird. Erzeugt
man über eine Öffnung in Ebene A einen permanenten
Trägerstrom bei offenem Ventil, wird über die
zweite Öffnung in Ebene A das geschlossene Ventil nur zur
Injektion präzise dosierbarer Mengen einer anderen Flüssigkeit
genutzt. Der Mäander in Ebene B bewirkt eine Vermischung
der dosierten Flüssigkeit mit dem Trägerstrom.
Ein Richtungswechsel des Flüssigkeitsstromes bei geschlossenem
Dosierventil erhöht die effektive Vermischung. Dabei wird
insbesondere die in Mikrostrukturen auftretende Laminarströmung,
die eine Vermischung behindert, beseitigt. Hilfsmittel dabei ist
die Gestaltung der Kanäle wie z. B. eine mäanderförmige
Ausführung des Mischungsbereiches (5). Hier
bewirken die Ecken und Kanten eine Verwirbelung der Flüssigkeiten.
Die Entnahme erfolgt über die Öffnung in Ebene
B.
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Die
Lösung trockener Reagenzien ist eine besondere erfindungsgemäße
Anwendung der Vorrichtung. Vor der Laminierung des Trägerelementes können
dessen Kanäle und Kavitäten mit festen oder flüssigen
Reagenzien, befüllt werden. Flüssige Reagenzien
können zuvor eingetrocknet oder lyophylisiert werden.
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung des Fluidikelementes
ist in besonderer Weise geeignet, die Auflösung von Reagenzien
zu erzielen, die in getrockneter Form in den Kanälen und
Kavitäten bevorratet sind. Der rasche Richtungswechsel
des Flüssigkeitsstromes befördert dabei die Auflösung
von Stoffen in gleicher Weise, wie das Schütteln eines
Gefäßes.
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Mit
der beschriebenen Ausführung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit integrierter reversibler Ventilanordnung ist in
einfacher Weise ein Öffnen und Sperren eines Flüssigkeitsstromes
möglich, wobei die Gestaltung der Fliesskanäle
und die Anordnung und Zahl der Ventile in beiden Ebenen leicht der gewünschten
Funktion, z. B. Mischung, Injektion, Aufspaltung der Flüssigkeitsströme,
chemische oder biochemische Reaktion, angepasst werden kann.
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Gegenstand
der Erfindung ist auch eine Vorrichtung, die aus zwei Ebenen von
Kanälen und Kavitäten besteht. Dazu werden der
Funktion entsprechende Kanäle und Kavitäten jeweils
in Ober- und Unterseite von flachen Trägern eingearbeitet
und beidseitig und ganzflächig mit Folien laminiert. Die Verbindung
zwischen beiden Ebenen wird durch Ventile hergestellt, die einseitig
mit einem Ventilsitz, der einen druckfesten Abschluss ermöglicht,
ausgestattet sind.
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Das
mechanische Einpressen der elastischen Folien in die Ventilsitze
durch einen formgleichen Stempel oder Aktuator gestattet reversibles Verschließen
und Öffnen zwischen Ober- und Unterseite. Die besondere
Ausbildung der Ventilsitze erlaubt ein sicheres und druckfestes
Verschließen wobei die Flussrichtung durch die Gestaltung
dieser Ventile keinen Einfluss hat.
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Das
Befüllen und Entleeren erfolgt durch Löcher in
den Folien oder Durchstechen der Folien oder durch Röhrchen,
die mit den Kanalsystemen verbunden sind.
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Insbesondere
erlaubt die Erfindung eine frei wählbare Ausbildung von
mehreren Kanalsystemen und mehreren Ventilen in einem Element und
eine beliebige Anzahl und Form von Ein- und Ausgängen und
gestattet damit komplexe fluidische Funktionen auszuführen.
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Zur
Herstellung der Vorrichtung werden industrielle Fertigungsverfahren,
wie z. B. Spritzgießen und Laminieren verwendet.
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Fluidikkartusche
und Verfahren zur Handhabung von Flüssigkeiten, unter Benutzung
einer Vorrichtung bestehend aus:
- a) einem planaren
Träger mit Kanälen und/oder Kavitäten
auf 2 oder mehr Ebenen, die von Folien bedeckt sind;
- b) Ein- und Auslassöffnungen sowie wahlweise Verbindungen
mit Ventilfunktion zwischen den Ebenen und aufweisend die folgenden
Handhabungen:
– Transport von einer oder mehreren
Flüssigkeiten in und/oder zwischen den Ebenen in wahlweise
wechselnden Richtungen,
– Sammeln und/oder Verteilen
und/oder Mischen von Flüssigkeiten,
– wahlweises
Verschließen der Durchbrüche.
-
Anordnung
zur Durchführung des zuvor genannten Verfahrens, wobei
die Träger aus Silizium, Siliziumverbindungen, Glas, Keramik,
Metallen, Papier oder Polymeren oder Beschichtungen aus solchen
oder Kombinationen aus solchen bestehen können.
-
Anordnung
zur Durchführung des zuvor genannten Verfahrens gemäß,
wobei die Ein- und Auslassöffnungen in der Folie und/oder
dem Träger angeordnet sind.
-
Anordnung
zur Durchführung des zuvor genannten Verfahrens, wobei
die verschließbaren Verbindungen einseitig an einen Hohlraum
grenzen, der als Ventilsitz ausgebildet ist.
-
Anordnung
zur Durchführung des zuvor genannten Verfahrens, wobei
die Folien elastisch sind und sich dem Ventilsitz anpassen.
-
Verfahren
und Anordnung, wobei die Folien durch Aktuatoren von außen
in die Ventilsitze gepresst werden und die Verbindungen zwischen
den Ebenen druckfest verschließen.
-
Verfahren
und Anordnung, wobei die Flüssigkeiten durch Injektion
und/oder beliebige Pumpsysteme in die Kartusche eingebracht werden.
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Verfahren
und Anordnung, wobei durch geeignete Kanalführung und Kombination
von Ventilen wahlweise Aufteilung von Flüssigkeiten realisiert wird.
-
Verfahren
und Anordnung, wobei durch geeignete Kanalführung und Kombination
von Ventilen wahlweise Zusammenführung oder Mischung von Flüssigkeiten
realisiert wird.
-
Verfahren
und Anordnung, wobei durch geeignete Kanalführung und Kombination
von Ventilen wahlweise Dosierung von Flüssigkeiten realisiert wird.
-
Verfahren
und Anordnung, wobei der Richtungswechsel des Flüssigkeitstransportes
die Auflösung von Reagenzien bewirkt, die in getrockneter Form
in den Kanälen und Kavitäten bevorratet sind.
-
Verfahren
und Anordnung, wobei der Richtungswechsel des Flüssigkeitstransportes
die Mischung von Flüssigkeiten bewirkt, die in den Kanälen und
Kavitäten zusammengeführt werden.
-
- 1
- Träger/Trägerelement
- 1'
- Stützelement
- 2a,
2b
- Folie
auf Ebene A, Folie auf Ebene B
- 3,
3a, 3b, ... 3n
- Einlass-/Auslassöffnung
- 4,
4a, 4b, ... 4n
- Kavität
- 5,
5a, 5b, ... 5n
- Verbindungskanal
- 6,
6a, 6b, ... 6n
- Ventilsitz
- 7,
7a, 7b, ... 7n
- Aktuator/Stempel
- 8
- Einlass-/Auslassröhrchen
- 9
- Injektor
- 10
- O-Ring
- 11
- elektrisches
Mikroarray
- A
- Ebene
A
- B
- Ebene
B
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 2007/0183935 [0006]
- - DE 102004050510 A1 [0007]
- - DE 102006024149 A1 [0008]