DE102010041833A1

DE102010041833A1 - Mikrofluidikchip mit mehreren Zylinder-Kolben-Anordnungen

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Publication number: DE102010041833A1
Application number: DE102010041833A
Authority: DE
Inventors: Dr. Drese Klaus-Stefan; Daniel Latta; Dr. Ritzi-Lehnert Marion; Dr. Röser Tina
Original assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2030-10-01
Also published as: US20130209328A1; EP2621633A1; DE102010041833B4; WO2012041479A1; US9278352B2; WO2012041479A8

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mikrofluidik-Anordnung mit einem Substrat (10, 10', 50), in das eine mehrere benachbarte Kanäle (12, 12') und wenigstens eine gemeinsame Zuleitung (14), in die die benachbarten Kanäle (12, 12') münden, aufweisende mikrofluidische Struktur eingeformt ist, wobei jeder der benachbarten Kanäle (12, 12') den Zylinder einer Zylinder-Kolben-Anordnung zur Aufnahme eines zugeordneten Kolbens (22) bildet. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Mikrofluidik-Anordnung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikrofluidik-Anordnung mit einem Substrat, insbesondere in Form eines oder mehrerer mikrofluidischer Chips, auch als Lap-on-a-Chip-System bezeichnet, in das eine mikrofluidische Struktur zur Durchführung von chemischen, biologischen, biochemischen und/oder medizinischen Analyse- und/oder Detektionsverfahren (kurz: Tests), wie beispielsweise Immunoassays, DNA-Assays oder dergleichen eingeformt ist. Eine zu untersuchende Probe wird in einer derartigen Mikrofluidik-Anordnung über eine zentrale Zuleitung auf mehrere getrennte Reaktionskammern oder Detektionsbereiche verteilt, in denen beispielsweise verschiedene Reaktionskomponenten für die zu analysierende Probe immobilisiert oder anderweitig eingebracht oder einbringbar sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Mikrofluidik-Anordnung.
Die Mikrofluidik zeichnet sich durch eine kontrollierte Bewegung kleinster Probenvolumina im Mikro- oder Nanoliterbereich aus. Eine exakte Steuerung von Reaktionen in Mikrokanälen bzw. Mikrokammern innerhalb der mikrofluidischen Chips ist dadurch möglich. Die mikrofluidische Steuerung stellt insbesondere deswegen eine große Herausforderung dar, weil aufgrund der sehr geringen Abmessungen der Kanäle und Kammern Oberflächeneffekte eine sehr dominante Rolle spielen, die reproduzierbare Abläufe innerhalb der Mikrofluidik-Anordnung erschweren. Diese Problematik kommt insbesondere bei der aktiven Befüllung mehrerer gleichartiger Kanäle oder Kammern zum Tragen, wenn für eine größere Anzahl von Proben gleiche Versuchsbedingungen geschaffen, also insbesondere die mehreren Kanäle alle mit den gleichen Probenvolumina befüllt werden sollen. Zudem soll, ähnlich dem High-Throughput-Screening, die Befüllung der mehreren Kanäle synchron erfolgen, um Tests ohne Zeitverlust synchron in allen Kanälen ausführen zu können. Es ist bislang keine Aktorik aus dem Gebiet mikrofluidischer Anordnungen bekannt, welche den vorstehend geschilderten Anforderungen gerecht wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgemäß, eine Mikrofluidik-Anordnung bereitzustellen, mit der mehrere benachbarte Kanäle zum Zwecke der Probenanalyse synchron und mit hoher volumetrischer Genauigkeit befüllt werden können. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Mikrofluidik-Anordnung bereitzustellen.
Die Erfindung wird durch eine Mikrofluidik-Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 13 gelöst.
Die erfindungsgemäße Mikrofluidik-Anordnung umfasst ein Substrat, in das eine mikrofluidische Struktur eingeformt ist, die mehrere benachbarte Kanäle und wenigstens eine gemeinsame Zuleitung aufweist, in die die benachbarten Kanäle münden, wobei jeder der benachbarten Kanäle den Zylinder einer Zylinder-Kolben-Anordnung zur Aufnahme eines zugeordneten Kolbens bildet.
Das Prinzip zur aktiven Befüllung der benachbarten Kanäle oder auch Reaktionskanäle gleicht dem einer Multipipette, wie beispielsweise aus dem US-Patent 3,855,868 bekannt, wobei dieses Prinzip erfindungsgemäß auf das Gebiet der Mikrofluidik, insbesondere der Lap-on-a-Chip-Systeme angewandt wird. Das im Gegensatz zu den bekannten Multipipetten besondere daran ist, dass der Zylinder als integraler Bestandteil des Substrats der Mikrofluidik-Anordnung, also beispielsweise des oder der Chips, ausgebildet ist. Ein solches Substrat hat bekanntermaßen eine flache, ebene Gestalt, ähnlich dem Format einer Checkkarte, mit ebenen Ober- und Unterseiten sowie mehreren, typischerweise vier, schmalen Stirnflächen entlang des Randes. Die Kanäle erstrecken sich typischerweise als Nuten auf der Ober- und/oder Unterseite oder als Bohrungen in der Ebene, wobei die Nuten durch eine Abdeckung in Form einer Folie gegenüber der Umgebung verschlossen sind. Ferner können mit den Kanälen kommunizierende Einfüll- oder Auslass- oder Verbindungsbohrungen senkrecht zu der Ebene in dem Substrat vorgesehen sein.
Jedem der benachbarten Kanäle ist ein Kolben zugeordnet. Die Kolben können beispielsweise in Form von Drähten ausgebildet sein, die vorzugsweise seitlich durch Öffnungen in einer oder mehrerer der Stirnflächen des Substrats in die Zylinder eingeführt und entlang der Längsachse in dem Zylindern vor- und zurück beweglich angeordnet sind.
Die Erfindung ist vorteilhafterweise dadurch weitergebildet, dass eine relativ zur mikrofluidischen Struktur ortsfeste Dichtungsanordnung zur Abdichtung des Kolbens in dem Zylinder vorgesehen ist.
Anders als Zylinder-Kolben-Anordnungen, bei denen ein Dichtelement meist am vorderen Ende des Kolbens vorgesehen ist, wird die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung nicht mit dem Kolben mitbewegt, sondern der Kolben bewegt sich relativ zur Dichtungsanordnung. Dies hat bei idealer Ausführung den Vorteil, dass zwischen dem Kolben und der Zylinderwand kein Kontakt stattfindet. Eine etwaige Funktionalisierung der Kanaloberfläche in dem Zylinder-Bereich, beispielsweise durch Immobilisation einer Reaktionskomponente, wird dadurch beim hin-und-her-Bewegen des Kolbens nicht beeinträchtigt.
Bevorzugt weist die Dichtungsanordnung ein die mehreren benachbarten Kanäle kolbenseitig überspannendes, zusammenhängendes Dichtelement auf.
Ein solches zentrales Dichtelement zur Abdichtung aller benachbarter Zylinder-Kolben-Anordnungen wird erst dadurch ermöglicht, dass die Dichtungsanordnung ortsfest zur mikrofluidischen Struktur und nicht zum Kolben angeordnet ist.
Das zusammenhängende, zentrale Dichtelement ist vor allem herstellungstechnisch einfacher zu realisieren als einzelne Dichtelemente für jede der benachbarten Zylinder-Kolben-Anordnungen.
Vorteilhafterweise weist die Dichtungsanordnung einen die mehreren benachbarten Kanäle querenden Dichtungskanal zur Aufnahme des zusammenhängenden Dichtelements auf.
In diesen Kanal kann das Dichtungselement beispielsweise in Form eines hochviskosen Fluids (z. B. Fett) oder in Form eines Elastomers (Gummi, Silikon) oder allgemein als polymerer Kunststoff eingebracht werden.
Als alternative Ausgestaltung der Erfindung ist das Dichtelement stirnseitig an dem Substrat der Mikrofluidik-Anordnung angebracht.
Besonders bevorzugt wird das Dichtelement durch Spritzguss mit dem Substrat der Mikrofluidik-Anordnung verbunden. Dies gilt sowohl für die Ausgestaltung mit einem im Dichtkanal als auch mit einem stirnseitig angebrachten Dichtelement.
Auch das Substrat der Mikrofluidik-Anordnung selbst wird vorzugsweise durch Spritzguss hergestellt. In diesem Fall wird das Dichtelement besonders bevorzugt in einem Zwei-Komponenten-Spritzgussverfahren ein- bzw. angebracht.
Der Vorteil liegt in einer kostengünstigen Herstellung sowie einer dem Herstellungsverfahren innewohnenden hohen Fertigungsgenauigkeit.
Besonders bevorzugt sieht das Verfahren zur Herstellung einer Mikrofluidik-Anordnung der vorstehend beschriebenen Art vor, dass die Mikrofluidik-Anordnung im Spritzgussverfahren hergestellt wird, wobei die Kolben in eine Spritzgussform eingelegt und mit wenigstens einem Kunststoff umspritzt werden.
Wird die Mikrofluidik-Anordnung als solche durch Spritzguss hergestellt, dann sind vorzugsweise alle mikrofluidischen Strukturen auf dem Substrat bereits Bestandteil des Spritzgussteils, sodass eine mechanische Nachbearbeitung weitestgehend entfallen kann. Die Kolben werden entweder nach dem Spritzen des Substrats bzw. mit dem fertigen Substrat in die Form eingelegt und dann mit dem Polymer/Elastomer des Dichtelements umspritzt.
Oder sie werden zuerst in die Form eingelegt und dann zunächst mit dem Substratkunststoff der Mikrofluidik-Anordnung und anschließend mit dem Polymer/Elastomer des Dichtelements umspritzt. Entscheidend ist dabei jeweils die Materialwahl, um die gewünschte Abdichtung und eine ausreichende Beweglichkeit der Kolben zu erzielen.
Bevorzugt sind die mehreren, den benachbarten Kanälen zugeordneten Kolben durch ein gemeinsames Betätigungselement miteinander gekoppelt.
Durch ein solches gemeinsames Betätigungselement können alle Kolben von einem gemeinsamen Antrieb oder manuell synchron bewegt werden. Dieses Antriebsprinzip ist von der Anwendung der Multipipette bekannt.
Die gemeinsame Zuleitung weist in Strömungsrichtung vor den Mündungen aller benachbarter Kanäle bevorzugt ein ausreichendes Volumen auf, das sicherstellt, dass alle benachbarten Kanäle gleichzeitig und gleichmäßig befüllbar sind.
Die gemeinsame Zuleitung wird vorzugsweise durch einen quer zu den benachbarten Kanälen verlaufenden Kanal mit zwei Zugängen gebildet, von denen wenigstens einer besonders bevorzugt gasdicht verschließbar ist.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Aufsicht auf eine erste Ausführungsform der Mikrofluidik-Anordnung;
2 eine geschnittene Seitenansicht der ersten Ausführungsform der Mikrofluidik-Anordnung gemäß 1;
3 eine geschnittene Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrofluidik-Anordnung;
4 eine perspektivische Ausschnittsvergrößerung im Teilschnitt der erfindungsgemäßen Mikrofluidik-Anordnung;
5 eine dritte Ausführungsform der Mikrofluidik-Anordnung mit Detektionsmodul in perspektivischer Darstellung; und
6 eine Aufsicht auf eine vierte Ausführungsform der Mikrofluidik-Anordnung verteilt auf vier Mikrofluidik-Chips.
In den 1 und 2 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrofluidik-Anordnung schematisch dargestellt. Die Mikrofluidik-Anordnung befindet sich auf einem einzelnen Mikrofluidik-Chip. Dieser weist ein Substrat 10 auf, in das mehrere benachbarte Kanäle 12 und eine gemeinsame Zuleitung 14, in die die benachbarten Kanäle 12 münden, eingeformt sind. Die mehreren benachbarten Kanäle 12 sind in Form paralleler Nuten und die gemeinsame Zuleitung 14 in Form einer dazu senkrecht an dem mündungsseitigen Ende der parallelen Kanäle 12 verlaufenden, breiteren Nut auf einer Oberseite des Substrats 10 eingearbeitet. Die Oberseite des Substrats ist mit einer Abdeckfolie 16 zur Umgebung hin verschlossen, so dass aus den Nuten umfänglich allseits geschlossene Kanäle gebildet werden.
Die parallelen Kanäle 12 weisen einen flachen Abschnitt 18 auf, der für die Reaktion oder Detektion des zu testenden Fluids bereit steht, hierin nachfolgend Funktionsabschnitt bezeichnet. An den flachen Funktionsabschnitt 18 schließt sich ein sprunghaft vertiefter Abschnitt 20 an, der den Zylinder einer Zylinder-Kolben-Anordnung bildet, hierin nachfolgend Zylinderabschnitt bezeichnet. In jedem der so gebildeten Zylinder ist ein zugeordneter Kolben 22 aufgenommen. Der Kolben 22 verdrängt ein definiertes Volumen innerhalb des Zylinderabschnittes 20 und kann parallel zu seiner Längsachse, welche idealer Weise mit der Längsachse des Kanals 12 zusammenfällt, in dem Zylinderabschnitt 20 vor und zurück bewegt werden, wodurch das verdrängte Volumen vergrößert bzw. verkleinert wird.
In das Substrat 10 ist ferner ein die mehreren benachbarten Kanäle 12 kolbenseitig, d. h. auf der der Zuleitung 14 entgegengesetzten Seite, querender Dichtungskanal 24 von der Oberseite in das Substrat 10 eingeformt. Als querend wird im Sinne dieser Schrift auch eine solche Anordnung bezeichnet, bei der sich, wie in 1 gezeigt, die Kanäle 12, respektive deren Zylinderabschnitte 20, und der Dichtungskanal 24 nicht unmittelbar kreuzen sondern quer zueinander in einem Abstand verlaufen. Der Dichtungskanal 24 nimmt ein über die Breite aller paralleler Kanäle 12 hinweg durchgehend zusammenhängendes Dichtelement 26 auf. Die Kolben 22 sind durch stirnseitige Öffnungen 27 in die Zylinderabschnitte 20 der parallelen Kanäle 12 eingeführt. Damit die Kanäle 12 nicht über diese Öffnungen 27 mit der Außenwelt verbunden sind, ist das Dichtelement an dieser Stelle oder einer anderen, wie in 3 gezeigt – jedenfalls aber kolbenseitig angeordnet. Das Dichtelement weist dem entsprechend ebenfalls Durchgangsöffnungen für die Kolben auf, liegt jedoch an diesen vorzugsweise unter radialem Druck elastisch an. Das Dichtelement besteht deshalb vorzugsweise aus einem Elastomer und ist besonders bevorzugt durch Spritzguss mit dem Substrat 10 verbunden.
Die mehreren, den benachbarten Kanälen 12 zugeordneten Kolben 22 werden in den Öffnungen 27 durch das Substrat 10 und das Dichtelement 26 parallel zu den Zylinderabschnitten 20 geführt. Die Kolben 22 sind an ihren aus dem Substrat 10 herausragenden Enden 28 durch ein gemeinsames Betätigungselement 30 dergestalt miteinander gekoppelt, dass sie nur synchron und parallel aus den zugeordneten Zylindern herausgezogen bzw. in diese eingeschoben werden können. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass – identische Profile der Kolben vorausgesetzt – die Änderung des verdrängten Volumens innerhalb der Zylinderabschnitte 20 in sämtlichen benachbarten Kanäle 12 gleich groß ist, so dass sich simultan ein gleicher Unter- bzw. Überdruck in den Kanälen 12 bildet. Dadurch wird sicherstellt, dass das zu untersuchende Fluid gleichmäßig aus der gemeinsamen Zuleitung 14 in die Funktionsabschnitte 18 der parallelen Kanäle 12 bzw. umgekehrt strömt und schließlich in allen parallelen Kanälen 12 das gleiche Fluidvolumen bewegt wird. Dies gestaltet die Befüllung der mehreren benachbarten Kanäle 12 und damit die Test in der Mikrofluidik-Anordnung trotz der eingangs erwähnten Oberflächeneffekte sehr prozesssicher, da die Druckänderung in allen Kanälen synchron erfolgt und gleich groß ist, die Kanäle 12 jedoch nur über die Zuleitung 14 miteinander kommunizieren und kolben-(oder bei Befüllen saug-)seitig getrennt sind.
Wenn auch für parallele Tests unter gleichen Bedingungen bevorzugt, ist es nicht erfindungserheblich, dass die benachbarten Kanäle 12 oder die zugeordneten Kolben 22, wie in 1 und 2 dargestellt, identische Abmessungen aufweisen. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass in ausgewählten Kanälen bei gleichem Kolbenhub größere oder kleinere Volumina des Fluids bewegt werden, indem beispielsweise der Kolbenquerschnitt entsprechend verändert wird. Dies kann beispielsweise dann gewünscht sein, wenn mit einer Vorrichtung der erfindungsgemäßen Art simultan unterschiedliche Nachweisreaktionen mit Markern unterschiedlicher Empfindlichkeit durchgeführt werden, so dass unterschiedliche Fluidmengen benötigt werden.
Die benachbarten Kanäle sind, wie in 1 dargestellt, bevorzugt im wesentlichen parallel angeordnet, damit die gemeinsame Betätigung der Kolben auf einfache Weise, mit hoher Präzision und geringem Kraftaufwand erfolgen kann. Praktisch wäre auch eine nicht parallele Anordnung der Kanäle nicht ausgeschlossen. Dies setzt jedoch beispielsweise flexible Kolben oder ein flexibles gemeinsames Betätigungselement voraus, was die Abdichtung und/oder die Präzision der Volumenänderung beeinträchtigen könnte und deshalb nicht ohne besonderen Grund vorzuziehen ist.
Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mikrofluidik-Anordnung unterscheidet sich von dem gemäß 2 durch benachbarte Kanäle 12', die in ihrem Zylinderabschnitt 20' in Form einer Bohrung ausgebildet sind und sich in mittels einer Querbohrung 34 senkrecht zur Ebene des Substrats 10' in die ansonsten gleichen Funktionsabschnitte 18 fortsetzen, welche dann in der in 1 gezeigten Weise in die gemeinsame Zuleitung 14 münden.
Die Kolben 22 füllen den Raum der zylindrischen, verglichen mit dem Beispiel des 2 kleinen, Zylinderabschnitte 20' fast vollständig aus, so dass beim Herausziehen der Kolben 22 eine größeren relative Volumenänderung der Kanäle 12' erfolgt. Die Folge ist, dass eine größere Druckänderung bzw. bei gleicher Betätigungsgeschwindigkeit beim Herausziehen der Kolben 22 ein schneller Druckabfall auf das in der gemeinsamen Zuleitung anstehende Fluid wirkt, welches in Folge dessen schneller in den Funktionskanal 18 eingesaugt wird.
Ein weiterer Unterschied ist, dass die Ausführungsform gemäß 3 ein die mehreren benachbarten Kanäle 12' kolbenseitig überspannendes, zusammenhängende Dichtelement 26' aufweist, welches stirnseitig an dem Substrat 10' angebracht ist. Auch dieses Dichtelement besteht bevorzugt aus einem Elastomer, welches durch Spritzguss mit der Stirnfläche 32 des Substrats 10' verbunden ist.
In 4 ist ein vergrößerter perspektivischer Ausschnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrofluidik-Anordnung ähnlich der gemäß 1 und 2 gezeigt. Der 4 kann entnommen werden, dass der Kolben 22 einen deutlich kleineren Querschnitt aufweist als der zugeordnete Zylinderabschnitt 20 und deshalb ein Verschieben des Kolbens eine geringere relative Volumen- und somit Druckveränderung zur Folge hat als im Beispielsfall der 3. Dies lehrt, dass durch entsprechende konstruktive Maßnahmen bei einer bestimmten Geschwindigkeit des Kolbenvorschubs die gewünschte Druckänderung eingestellt werden kann.
Des Weiteren ist in 4 zu erkennen, dass der Kolben eine zylindrische Geometrie aufweist. Vorzugsweise wird der Kolben 22 aus einem geraden Drahtstück gebildet. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die hier gezeigten Strukturen Abmessungen im Millimeterbereich oder im Submillimeterbereich aufweisen. Deshalb stellt die zylindrische Geometrie drahtförmiger Kolben die einfachste zu realisierende Ausführungsform von Kolben dar.
Auch ist in der Darstellung der 4 zu erkennen, dass der Zylinderabschnitt 20 nicht nur einen größeren Querschnitt als der Kolben sondern auch eine andere Querschnittsform, nämlich eine rechteckige aufweist. In diesem Sinne ist, wenn in der vorliegenden Schrift der Begriff Zylinder gebraucht wird, die Funktion des entsprechenden Kanals oder Kanalabschnittes als Teil einer Zylinder-Kolben-Anordnung gemeint und nicht etwa ein Kanal/Kanalabschnitt mit einer strengen Zylindergeometrie, also einer runde Grundfläche.
Schließlich ist 4 gut zu erkennen, dass der Kolben 22 aufgrund seines kleineren, im Wesentlichen über seine gesamte Länge gleichbleibenden Querschnittes die Wand des Zylinderabschnitts 20 nicht berührt, so dass eine mechanische Einwirkung auf eine beispielsweise auf die Innenoberfläche der Zylinderwand 20 aufgebrachte reaktive Substanz vermieden wird. Dies setzt selbstverständlich eine hinreichende Verarbeitungspräzision in puncto Parallität von Zylinderabschnitt und Kolben bzw. Kolbenführung voraus.
Das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mikrofluidik-Anordnung gemäß 5 unterscheidet sich von den vorstehend beschriebenen insbesondere durch seine komplexere Gestalt. Ähnlich wie in den vorangehend beschriebenen Beispielen ist die Anordnung auf einem das Substrat 50 bereitstellenden Chip ausgebildet. in dem Substrat sind bei dieser Ausführungsform jedoch zwei Blöcke 52, 54 mit jeweils 32 parallelen, benachbarten Kanälen ausgebildet, die jeweils den Zylinder einer Zylinder-Kolben-Anordnung bilden und denen jeweils ein Kolben zugeordnet ist. Alle vierundsechzig Kolben beider Blöcke sind durch ein gemeinsames Betätigungselement 56 miteinander dergestalt gekoppelt, dass sie nur gemeinsam und parallel aus ihren Zylindern herausgezogen bzw. eingeschoben werden können.
Die gemeinsame Zuleitung 58 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel zwei Zugänge, nämlich einen Zulauf 60 und einen Ablauf 62. In Strömungsrichtung hinter dem Zulauf 60 befindet sich ein Reservoir 64 zur Aufnahme einer größeren Menge des zu testenden Fluids, die ausreicht, um die Funktionsabschnitte aller 64 parallelen Kanäle zu befüllen. In Strömungsrichtung hinter dem Reservoir 64 münden die benachbarten Kanäle der Reihe nach in die Zuleitung 58. Die Zuleitung 58 weist an dieser Stelle eine ausreichend große Querschnittsfläche auf, um alle parallelen Kanäle gleichzeitig und gleichmäßig beim Herausziehen der Kolben mit der geforderten Geschwindigkeit befüllen zu können.
Das Befüllen geht dabei wie folgt vonstatten: Das Fluid wird zunächst in die gemeinsame Zuleitung 58 eingeleitet und dabei das Reservoir 64 befüllt. Ist dies erfolgt, wird ein Zugang der Zuleitung, hier der der Ablauf 62 gasdicht verschlossen. Anschließend werden die Kolben mittels des gemeinsamen Betätigungselements beispielsweise unter Verwendung eines Linearantriebs aus den Zylinderabschnitten der parallelen Kanäle herausgezogen, wodurch in allen bis dahin mit Luft oder Gas gefüllten Kanälen ein Unterdruck entsteht. Aufgrund des Unterdrucks strömt das Fluid aus der gemeinsamen Zuleitung und insbesondere aus dem Reservoir 64 in die parallelen Kanäle bis ein Druckausgleich stattgefunden hat. Dies ist bei geeigneter Dimensionierung der Kolben, der Funktionsabschnitte der parallelen Kanäle und des Kolbenhubs dann erreicht, wenn die Funktionsabschnitte so weit wie gewünscht gefüllt sind. Nach dem Befüllen der parallelen Kanäle wird der verschlossene Ablauf 62 der gemeinsamen Zuleitung 58 wieder geöffnet und das restliche Fluid durch Anlegen einer Druckdifferenz zwischen Zu- und Ablauf aus der gemeinsamen Zuleitung und dem Reservoir 64 abgezogen damit zwischen den einzelnen nunmehr in den parallelen Kanälen anstehenden Flüssigkeitsplugs keine Flüssigkeitsbrücke mehr besteht. Auf diese Weise wird eine Kreuzkontamination zwischen den einzelnen Flüssigkeitsplugs in den benachbarten Kanälen verhindert. Das Entleeren der parallelen Kanäle kann in umgekehrter Richtung durch Rückführung der Kolben in die Zylinderabschnitte erfolgen, wodurch ein Überdruck gebildet wird, der die Fluidprobe in die gemeinsame Zuleitung verschiebt. Dies geschieht vorzugsweise bei einem verschlossenen Zugang, um dem Fluid eine gewünschte Transportrichtung zu geben.
In der rechten Hälfte der 5 ist beispielhaft eine elektronische Detektionseinheit 70 dargestellt, an welche über zwei Steckverbindungen 72 beispielsweise zwei Folienelektroden 74 als Teil einer elektrochemischen Sensorik angeschlossen sind.
In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mikrofluidik-Anordnung dargestellt, welche ähnlich wie die Anordnung aus 5 zwei Blöcke paralleler, benachbarter Kanäle und zugeordneter Kolben aufweist. Ein wesentlicher Unterschied dieser Anordnung ist, dass diese sich über insgesamt vier Mikrofluidik-Chips, die ein gemeinsames Substrat bereitstellen, erstreckt. Beispielhaft weisen die beiden unten dargestellten Chips 80, 82 jeweils einen Block mit den Zylinder-Kolben-Anordnungen auf und die beiden oberen Chips 84, 86 weisen jeweils einen Abschnitt der gemeinsamen Zuleitung 88 auf, wobei in diese nur in den Chip 86, ein Reservoir 90 für die Fluidprobe integriert ist. Bei einer derartigen Mikrofluidik-Anordnung bedarf es zusätzlicher Verbindungskanäle 92 (nicht im Einzelnen dargestellt) zur Verbindung der Zylinderabschnitte 94 der parallelen Kanäle auf den Chips 80 und 82 mit den jeweils zugeordneten Funktionsabschnitten 96 der parallelen Kanäle auf den Chips 84 und 86. Ebenso benötigt man einen Verbindungskanal (nicht dargestellt) zum Überbrücken der gemeinsamen Zuleitung 88 von dem Chip 84 zu dem Chip 86.
Bezugszeichenliste

10, 10': Substrat
12, 12': parallele, benachbarte Kanäle
14: gemeinsame Zuleitung
16: Abdeckung, Folie
18: Reaktions-/Detektions- oder allgemein Funktionsabschnitt
20, 20': Zylinderabschnitt
22: Kolben
24: Dichtungskanal
26, 26': Dichtelement
28: außenliegendes Kolbenende
30: gemeinsames Betätigungselement
32: Stirnseite des Substrats
50: Substrat
52, 54: Blöcke benachbarter, paralleler Kanäle
56: gemeinsames Betätigungselement
58: gemeinsame Zuleitung
60: Zugang, Zulauf
62: Zugang, Ablauf
64: Reservoir
70: Elektronikmodul
72: Steckverbindung
74: Elektrode
80, 82: Mikrofluidikchip
84, 86: Mikrofluidikchip
88: gemeinsame Zuleitung
90: Reservoir
92: Verbindungskanäle
94: Zylinderabschnitt
96: Reaktions-/Detektions- oder allgemein Funktionsabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3855868 [0006]

Claims

Mikrofluidik-Anordnung mit einem Substrat (10, 10', 50), in das eine mikrofluidische Struktur eingeformt ist, die mehrere benachbarte Kanäle (12, 12') und wenigstens eine gemeinsame Zuleitung (14) aufweist, in die die benachbarten Kanäle (12, 12') münden, wobei jeder der benachbarten Kanäle (12, 12') den Zylinder einer Zylinder-Kolben-Anordnung zur Aufnahme eines zugeordneten Kolbens (22) bildet.
Mikrofluidik-Anordnung nach Anspruch 1 mit jeweils einem jedem der benachbarten Kanäle (12, 12') zugeordneten Kolben (22), gekennzeichnet durch eine relativ zur mikrofluidischen Struktur ortsfesten Dichtungsanordnung zur Abdichtung des Kolbens (22) in dem Zylinder.
Mikrofluidik-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung ein die mehreren benachbarten Kanäle (12, 12') kolbenseitig überspannendes, zusammenhängendes Dichtelement (26, 26') aufweist.
Mikrofluidik-Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung einen die mehreren benachbarten Kanäle (12, 12`) querenden Dichtungskanal (24) zur Aufnahme des zusammenhängenden Dichtelementes (26, 26') aufweist.
Mikrofluidik-Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (26, 26') stirnseitig an dem Substrat der Mikrofluidik-Anordnung angebracht ist.
Mikrofluidik-Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (26, 26') aus einem Polymer besteht.
Mikrofluidik-Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (26, 26') durch Spritzguss mit dem Substrat der Mikrofluidik-Anordnung verbunden ist.
Mikrofluidik-Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren, den benachbarten Kanälen (12, 12') zugeordneten Kolben (22) durch ein gemeinsames Betätigungselement (30, 56) miteinander gekoppelt sind.
Mikrofluidik-Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (22) durch stirnseitige Öffnungen in das Substrat der Mikrofluidik-Anordnung eingeführt sind.
Mikrofluidik-Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Zuleitung (58, 88) vor den Mündungen aller benachbarter Kanäle (12, 12') ein ausreichendes Volumen aufweist, das sicherstellt, dass alle benachbarten Kanälen (12, 12') gleichzeitig und gleichmäßig befüllbar sind.
Mikrofluidik-Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Zuleitung (58, 88) durch einen quer zu den benachbarten Kanälen (12, 12') verlaufenden Kanal mit zwei Zugängen (60, 62) gebildet wird.
Mikrofluidik-Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Zugänge (60, 62) gasdicht verschließbar ist.
Verfahren zur Herstellung einer Mikrofluidik-Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrofluidik-Anordnung im Spritzgussverfahren hergestellt wird, wobei die Kolben (22) in eine Spritzgussform eingelegt und mit wenigstens einem Kunststoff umspritzt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (22) nach dem Spritzen des Substrats oder mit dem fertigen Substrat in die Spritzgussform eingelegt und dann mit dem Polymer oder Elastomer des Dichtelements umspritzt werden.