DE102010050679B3

DE102010050679B3 - Justierbare Aufnahmevorrichtung für mikrofluidische Chips mit einzukoppelnder optischer Faser / einzukoppelnden optischen Fasern

Info

Publication number: DE102010050679B3
Application number: DE201010050679
Authority: DE
Inventors: Christoph Krafft; Werner Uhlemann; Sebastian Dochow
Original assignee: Institut fur Photonische Technologien EV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Photonische Technologien eV
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2030-11-06

Abstract

Justierbare Aufnahmevorrichtung für mikrofluidische Chips mit einzukoppelnder optischer Faser/einzukoppelnden optischen Fasern umfassend einen planaren Grundträger (1), zwei planare Seitenteile (2), zwei planare Abstandshalter (3), Stellmittel (4), eine Stellschraube (5), ein Puffer-Pad (31), ein Chipshuttle (7) und einen Deckel (8), wobei – der Grundträger (1) die Seitenteile (2) und die Abstandhalter (3) trägt, – die Seitenteile (2) auf dem Grundträger (1) vermittels der Stellmittel (4) höhenverstellbar befestigt sind, aus magnetischem Material bestehen, durch die Abstandhalter (3) gleichmäßig voneinander beabstandet werden, mit nutförmigen Ausnehmungen (21) in der Oberfläche der dem Grundträger (1) abgewandten Seite versehen sind und im Bereich der Ausnehmungen (21) magnetische Pads (22) tragen, welche die Ausnehmungen (21) lösbar abdecken, – der eine Abstandshalter (3) mit der Stellschraube (5), welche diesen in ihrer Position veränderlich durchdringt, und der andere Abstandhalter (3) mit einem elastischen, verformbaren PufferPfad (31) versehen ist, – das Chipshuttle (7) zwischen den Seitenteilen...

Description

Die Erfindung betrifft eine justierbare Aufnahmevorrichtung für mikrofluidische Chips mit einzukoppelnder optischer Faser/einzukoppelnden optischen Fasern, insbesondere für ein Lichtmikroskop, welches mit einem optischen Spektrometer gekoppelt sein kann.
DE 198 02 173 A1 offenbart eine Anordnung für die Feinjustage einer Lichtleitfaser-Chip-Kopplung, bei der die Lage der Faser in einer von drei aufeinander senkrecht stehenden Ordinaten x, y, z, vorzugsweise der z-Achse, als Faserlängsachse vorab festgelegt ist, so dass eine von mechanischen Einflüssen freie Feinjustage einer Lichtleitfaser erreicht wird. Hierfür ist eine magnetische Stelleinheit für die berührungslose Justage in x- und y-Richtung vorgesehen, wobei die Lichtleitfaser im magnetischen Wirkungsbereich dieser Stelleinheit eine Umhüllung aus magnetisch leitfähigem Material aufweist. Die Festlegung der Lage der Lichtleitfaser erfolgt dabei an einem Faserträger durch Kleben, Löten, Laserschweißen oder einer Klemmhalterung. Diese technische Lösung hat den Nachteil, dass die Anordnung einen aufwändigen und viel Raum benötigenden Aufbau darstellt, welcher nicht unter einem gängigen Lichtmikroskop platzierbar/integrierbar ist. Hinzu kommt, dass die Faser fest mit dem Faserträger verbunden ist.
Aus JP 022 91 510 A1 ist ein mikrofluidischer Chip mit eingekoppelten optischen Fasern bekannt, wobei die Fasern an die Justageeinheit des Chips angeklebt sind.
Dies hat den Nachteil, dass die Fasern nicht nachjustiert bzw. voneinander unabhängig eingekoppelt werden können. Hinzu kommt, dass Chips mit undichter Mikrofluidik zum Abdichten schlecht nachbehandelt werden können, da die angeklebten Fasern eine gute Handhabbarkeit unterbinden und ein Lösen des Chips diesen ggf. zerstört.
JP 622 62 006 A1 offenbart ebenfalls eine Anordnung in Form eines mikrofluidischen Chips mit eingekoppelten optischen Fasern, wobei diese technische Lösung den Nachteil hat, dass die Fasern bei der Verwendung des Chips mechanischen Belastungen ausgesetzt sind und dass nicht mehrere Fasern auf einer Achse (einer Seite des Chips) und unabhängig voneinander eingekoppelt werden können. Hinzu kommt, dass diese Anordnung einen viel Raum benötigenden Aufbau darstellt, welcher nicht unter einem gängigen Lichtmikroskop platzierbar/integrierbar ist.
Aus der WO 97/28477 A1 und aus der US 2008/0299013 A1 sind justierbare Aufnahmevorrichtungen für mikrofluidische Chips mit einzukoppelnder optischer Faser an sich bekannt.
Die US 2003/0059194 A1 offenbart ebenfalls eine justierbare Anordnung für die Kopplung eines Chips mit optischen Fasern, welche Ähnlich zu der in DE 198 02 173 A1 offenbarten Anordnung ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine justierbare Aufnahmevorrichtung für mikrofluidische Chips mit einzukoppelnder optischer Faser/einzukoppelnden optischen Fasern anzugeben, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere ein Einkoppeln von einer oder mehrerer blanken, unvorkonfektionierten optischen Fasern in einen bereits fluidisch angeschlossenen mikrofluidischen Chip unter einem handelsüblichen Licht-Mikroskop ermöglicht, wobei im Fall mehrerer optischer Fasern diese auf einer Achse (einer Seite des Chips) einkoppelbar sind und das Licht-Mikroskop mit einem Spektrometer gekoppelt sein kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine justierbare Aufnahmevorrichtung gemäß dem 1. Patentanspruch und ein Verfahren zum Betreiben dieser Aufnahmevorrichtung gemäß Anspruch 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den nachgeordneten Ansprüchen angegeben.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass die justierbare Aufnahmevorrichtung für mikrofluidische Chips mit einzukoppelnder optischer Faser/einzukoppelnden optischen Fasern einen planaren Grundträger, zwei planare Seitenteile, zwei planare Abstandshalter, Stellmittel, eine Stellschraube, einem Chipshuttle und einen Deckel umfasst, wobei der Grundträger die Seitenteile sowie die Abstandhalter trägt und die Seitenteile auf dem Grundträger vermittels der Stellmittel höhenverstellbar befestigt sind.
Gemäß der Erfindung bestehen die Seitenteile aus magnetischem Material und werden durch die Abstandhalter gleichmäßig voneinander beabstandet, wobei sie mit nutförmigen Ausnehmungen in der Oberfläche der dem Grundträger abgewandten Seite versehen sind und im Bereich der Ausnehmungen magnetische Pads tragen, welche die Ausnehmungen lösbar abdecken.
Einer der beiden Abstandhalter ist erfindungsgemäß mit der Stellschraube versehen, welche diesen in ihrer Position veränderlich durchdringt.
Der andere Abstandhalter trägt einen elastischen, verformbaren Puffer-Pad.
Das Chipshuttle ist zwischen den Seitenteilen sowie den Abstandhaltern angeordnet/gehaltert und vermittels der Stellschraube und dem ihr entgegen wirkenden Puffer-Pad, bspw. bestehend aus Polymethylsiloxan, entlang der Längsseiten der Seitenteile positionierbar.
Das Chipshuttle verfügt dabei über ein Fenster zur Aufnahme eines Chips sowie Ausnehmungen für die Zuführung mikrofuidischer Anschlüsse des Chips.
Der Deckel ist lösbar mit dem Chipshuttle verbunden und kompatibel zu diesem ausgestaltet, in dem er ebenfalls ein Fenster aufweist, welches in Form und Lage zu dem Fenster des Chipshuttles korrespondiert.
Gemäß der Erfindung ist der Deckel mit einer Ausnehmung(en) an den Deckellängsseiten versehen, so dass in diese Ausnehmung(en) zwischen Deckel und Seitenteilen optische Fasern einführbar sind, welche durch die magnetischen Pads auf den magnetischen Seitenteile halterbar sind.
Der Grundträger besteht bspw. aus Metall und besitzt im Bereich des Chipshuttles ein Fenster.
Alternativ dazu kann der Grundträger auch aus Licht-durchlässigem Glas oder aus hartem, Licht-durchlässigem Kunststoff bestehen.
Die Seitenteile, die Stellschraube, der Chipshuttle und der Deckel stehen bspw. auch aus Metall.
Die Stellmittel sind bspw. in form von Schrauben und Polymethylsiloxan-Unterlegscheiben ausgebildet.
Die Ausnehmungen in den Seitenteilen sind vorteilhaft als gerade verlaufende V-Nuten ausgebildet, wobei sie gegenüber der Längsseite der Seitenteile in einem Winkel zwischen 1° und 90° verlaufen.
Besonders vorteilhaft sind die magnetischen Pads verformbar, so dass sie an der (den) in den Ausnehmungen der magnetischen Seitenteile gelagerten optische Faser(n) gut anliegen und diese gut haltern.
Bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung wird in einem ersten Schritt ein Chip mit mikrofuidischen Anschlüssen in dem Chipshuttle gehaltert, in dem der Chip in dem Fenster des Chipshuttles positioniert wird, wobei die fluidischen Anschlüsse des Chips durch die Ausnehmungen des Chipshuttles geführt werden und der Chipshuttle mit dem Deckel verschlossen wird (bspw. durch verschrauben.
Anschließend wird der Chipshuttle zwischen den Seitenteilen und Abstandhaltern positioniert und kann dabei mit den Stellmitteln (bspw. Schrauben mit entgegenwirkenden aus flexiblen Kunststoff, wie bspw. Polymethylsiloxan, bestehenden Unterlegscheiben) in seiner Position gegenüber dem Grundträger sowie vermittels der Stellschraube mit entgegen wirkenden Puffer-Pad entlang der Längsseiten der Seitenteile vorjustiert werden.
Nach diesem Schritt kann der Chip mit den integrierten fluidischen Anschlüssen in einem fluidischen System einer Dichtheitsprüfung unterzogen werden bzw. so lange manipuliert werden, bis völlige Dichtheit des fluidischen Systems besteht.
In einem zweiten Schritt wird (werden) dann die optische Faser/die optischen Fasern in den Ausnehmungen der Seitenteile gelagert sowie mit den magnetische Pads abgedeckt und abschließend vermittels der Stellmittel gegenüber dem Grundträger in der Höhe vertikal sowie vermittels der Stellschraube gegenüber dem auf dem Grundträger fixierten mikrofluidischen Chip horizontal justiert.
Die vertikale Höhenjustierung und die horizontale Lagejustierung erfolgt dabei unter einem Lichtmikroskop, wobei der Strahlengang des Mikroskops durch den Grundträger, die Fenster und dem mikrofluidischen Chip führt und der mikrofluidische Chip optisch mit einem Spektometer gekoppelt ist.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass optische Fasern jeglicher Art (Lichtleitfasern, Hohlfasern etc.) auf einen bereits mikrofluidisch angeschlossenen Chip justiert und in diesen eingekoppelt werden können, wobei die Vorrichtung für die Verwendung herkömmlicher Lichtmikroskope geeignet ist, da die gesamte Aufnahmevorrichtung die Größe von Standardaufnahmen an Mikroskopen (2'' × 3'') hat und dabei der mikrofluidische Chip gleichzeitig optisch mit einem Spektometer koppelbar ist, so dass die Aufnahmevorrichtung flexibel einsetzbar ist.
Der mikrofluidische Chip wird über entsprechende Aufnahmetechniken (Pad-Dichtung/Aufkelchen etc), welche auf dem Andrücken des Chips auf die Anschlüsse basieren, angeschlossen. Dies wird über das Chipshuttle und einen Deckel realisiert. Der Kraftschluss kann vor der Kopplung der Fasern durchgeführt und getestet werden.
Dadurch dass die optische Faser(n) in die V-Nut eingelegt wird (werden) und über das magnetische Pad in der V-Nut beweglich gehaltert werden, sind keine aufwändigen Bewegungsvorrichtungen mehr notwendig. Die Kraft verteilt sich gleichmäßig, wodurch die Kopplung hoher Leistungen möglich ist.
Die optischen Fasern, welche gemäß der Erfindung in einen Chip eingekoppelt werden, sind lösbar mit dem Chip verbunden, so dass die Fasern nicht vorkonfektioniert sein müssen.
Insbesondere die erfindungsgemäßen flexiblen magnetischen Pads zur Führung der optischen Fasern sowie das elastische, verformbare Puffer-Pad (bspw. aus Polymethylsiloxan) und die Polymethylsiloxan-Unterlegscheiben erlauben eine optimale Justage des Mikrofluidik-Chips auf verschiedenste Eingangskanäle von optischen Fasern, wobei durch die erfindungsgemäßen V-Nuten verschiedenste Faserkanalgeometrien in den Chip einkoppelbar sind.
Durch mehrere V-Nuten und mehrere voneinander getrennte magnetische Pads ist auch eine Multifaserkopplung in einen Chip möglich.
Durch den sehr flachen und kompakten Aufbau der erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung werden die Fasern nur wenig mechanisch belastet. Durch die geringe Krafteinwirkung auf die Fasern (in Folge der beweglichen, formveränderlichen magnetischen Pads) wird nur wenig Leistung ausgekoppelt, was den Einsatz hoher Leistungen in den Fasern möglich macht
Die erfindungsgemäße Aufnahmevorrichtung ist kompatibel zu einer Standardobjektträgeraufnahme eines jeden Mikroskopes und erlaubt eine billige, einfache Einkopplung von jeglichen Fasern in jegliche mikrofulidischen Geräte (Adaption möglich) direkt unter einem Mikroskop ohne Hilfsmittel.
Durch erfindungsgemäße Aufnahmevorrichtung ist es möglich, ohne Mikropositioniertische und zusätzliche Verfahrensschritte optische Fasern in einen mikrofluidisch angeschlossenen Chip, welcher sich unter einem Mikroskop befindet, zu koppeln.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand des Ausführungsbeispiels und der Figur näher erläutert. Dabei zeigt:
1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung in zusammengebautem Zustand,
2: eine schematische Darstellung der Aufnahmevorrichtung gemäß 1 in auseinandergebautem Zustand und
3: eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts aus der Aufnahmevorrichtung gemäß 1.
Die in 1 und 2 dargestellte justierbare Aufnahmevorrichtung für mikrofluidische Chips mit einzukoppelnder optischer Faser/einzukoppelnden optischen Fasern umfasst einen planaren Grundträger (1), zwei planare Seitenteile (2), zwei planare Abstandshalter (3), Stellmittel (4), eine Stellschraube (5), ein Puffer-Pad (31), ein Chipshuttle (7) und einen Deckel (8), wobei der Grundträger (1) die Seitenteile (2) und Abstandhalter (3) trägt und die Seitenteile (2) auf dem Grundträger (1) vermittels der Stellmittel (4) höhenverstellbar befestigt sind.
Die Seitenteile (2) bestehen aus magnetischem Material.
Durch die Abstandhalter (3) werden die Seitenteile (2) gleichmäßig voneinander beabstandet.
Die Seitenteile (2) sind mit nutförmigen Ausnehmungen (21) in der Oberfläche der dem Grundträger (1) abgewandten Seite versehen und tragen im Bereich der Ausnehmungen (21) magnetische, verformbare Pads (22), welche die Ausnehmungen (21) lösbar abdecken.
Der eine Abstandshalter (3) ist mit der Stellschraube (5) versehen, welche diesen in ihrer Position veränderlich durchdringt. Der andere Abstandhalter (3) ist mit einem elastischen, verformbaren Puffer-Pad (31) versehen, so dass das Chipshuttle zwischen beiden Abstandshaltern (3) entlang der Längsseiten der Seitenteile (2) positionierbar/justierbar ist.
Das Chipshuttle (7) weist ein Fenster (71) zur Aufnahme eines Chips sowie Ausnehmungen (72) für die Zuführung mikrofuidischer Anschlüsse des Chips auf.
Der Deckel (8) ist lösbar mit dem Chipshuttle (7) verbunden und kompatibel zu diesem ausgestaltet, in dem er ein Fenster (81) aufweist, welches in Form und Lage zu dem Fenster (71) korrespondiert.
Darüber hinaus ist der Deckel (8) mit Ausnehmungen (82) an den Deckellängsseiten versehen. In diese Ausnehmungen (82) sind zwischen Deckel (8) und Seitenteilen (2) optische Fasern einführbar, welche durch die Pads (22) auf den Seitenteile (2) halterbar sind.
Der Grundträger (1) besteht bspw. aus Metall und besitzt im Bereich des Chipshuttles (7) ein Fenster (11).
Alternativ dazu kann der Grundträger (1) auch aus Licht-durchlässigem Glas oder aus hartem, Licht-durchlässigem Kunststoff bestehen.
Die Seitenteile (2), die Stellschraube (5), der Chipshuttle (7), der Deckel (8) bestehen bspw. aus Metall und der Puffer-Pad (31) aus Polymethylsiloxan.
Die Stellmittel (4) sind Schrauben mit Polymethylsiloxan-Unterlegscheiben.
Die Ausnehmungen (21) sind als gerade verlaufende V-Nuten ausgeführt und verlaufen gegenüber der Längsseite der Seitenteile (2) in einem Winkel zwischen 1° und 90°.
Vermittels eines magnetischen Pads (22) ist in einer Ausnehmung (21), wie in 3 dargestellt, eine optische Fasern (6) halterbar.
Alle in der Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Grundträger
11: Fenster
2: Seitenteile
21: Ausnehmungen
22: magnetische Pads
3: Abstandshalter
31: Puffer-Pad
4: Stellmittel
5: Stellschraub
6: optische Faser
7: Chipshuttle
71: Fenster
8: Deckel
81: Fenster
82: Ausnehmungen

Claims

Justierbare Aufnahmevorrichtung für mikrofluidische Chips mit einzukoppelnder optischer Faser/einzukoppelnden optischen Fasern umfassend einen planaren Grundträger (1), zwei planare Seitenteile (2), zwei planare Abstandshalter (3), Stellmittel (4), eine Stellschraube (5), ein Puffer-Pad (31), ein Chipshuttle (7) und einen Deckel (8), wobei – der Grundträger (1) die Seitenteile (2) und die Abstandhalter (3) trägt, – die Seitenteile (2) auf dem Grundträger (1) vermittels der Stellmittel (4) höhenverstellbar befestigt sind, aus magnetischem Material bestehen, durch die Abstandhalter (3) gleichmäßig voneinander beabstandet werden, mit nutförmigen Ausnehmungen (21) in der Oberfläche der dem Grundträger (1) abgewandten Seite versehen sind und im Bereich der Ausnehmungen (21) magnetische Pads (22) tragen, welche die Ausnehmungen (21) lösbar abdecken, – der eine Abstandshalter (3) mit der Stellschraube (5), welche diesen in ihrer Position veränderlich durchdringt, und der andere Abstandhalter (3) mit einem elastischen, verformbaren PufferPfad (31) versehen ist, – das Chipshuttle (7) zwischen den Seitenteilen (2) und den Abstandhaltern (3) angeordnet sowie vermittels der Stellschraube (5) entlang der Längsseiten der Seitenteile (2) positionierbar ist, – das Chipshuttle (7) ein Fenster (71) zur Aufnahme eines Chips sowie Ausnehmungen (72) für die Zuführung mikrofuidischer Anschlüsse des Chips aufweist, – der Deckel (8) lösbar mit dem Chipshuttle (7) verbunden und kompatibel zu diesem ausgestaltet ist, in dem er ein Fenster (81) aufweist, welches in Form und Lage zu dem Fenster (71) korrespondiert sowie mit Ausnehmungen (82) an den Deckellängsseiten versehen ist, in die zwischen Deckel (8) und Seitenteilen (2) optische Fasern einführbar sind, welche durch die Pads (22) auf den Seitenteile (2) halterbar sind.
Justierbare Aufnahmevorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundträger (1) aus Metall besteht und im Bereich des Chipshuttles (7) ein Fenster (11) besitzt oder aus Lichtdurchässigem Glas oder aus hartem, Licht- durchlässigem Kunststoff besteht.
Justierbare Aufnahmevorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenteile (2), die Stellschraube (5), der Chipshuttle (7), der Deckel (8) aus Metall und der Puffer-Pad (31) aus flexiblen Kunststoff in Form von Polymethylsiloxan bestehen.
Justierbare Aufnahmevorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellmittel (4) Schrauben mit Unterlegscheiben aus flexiblen Kunststoff in Form von Polymethylsiloxan sind.
Justierbare Aufnahmevorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (21) gerade verlaufende V-Nuten sind.
Justierbare Aufnahmevorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (21) gegenüber der Längsseite der Seitenteile (2) in einem Winkel zwischen 1° und 90° verlaufen.
Justierbare Aufnahmevorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pads (22) verformbar sind.
Verfahren zum Betreiben einer justierbaren Aufnahmevorrichtung gemäß einem oder mehrerer der voran stehenden Ansprüche 1 bis 7 bei dem • in einem ersten Schritt ein Chip mit mikrofuidischen Anschlüssen in dem Chipshuttle gehaltert wird, in dem der Chip in dem Fenster (71) positioniert wird, wobei die fluidischen Anschlüsse des Chips durch die Ausnehmungen (72) geführt werden, der Chipshuttle mit dem Deckel (8) verschlossen und anschließend zwischen den Seitenteilen (2) und Abstandhaltern (3) angeordnet sowie vermittels der Stellschraube (5) entlang der Längsseiten der Seitenteile (2) positioniert wird und nach einer Dichtheitsprüfung des fluidischen Systems • in einem zweiten Schritt die optische Faser/die optischen Fasern in den Ausnehmungen (21) gelagert sowie mit den magnetische Pads (22) abgedeckt werden und abschließend vermittels der Stellmittel (4) eine gegenüber dem Grundträger (1) vertikale sowie vermittels der Stellschraube (5) ein gegenüber dem Grundträger (1) horizontale Lagejustierung der Faser(n) gegenüber dem auf dem Grundträger (1) fixierten mikrofluidischen Chip erfolgt.
Verfahren zur Verwendung einer justierbare Aufnahmevorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Höhenjustierung und die horizontale Lagejustierung unter einem Lichtmikroskop erfolgt, wobei der Strahlengang des Mikroskops durch den Grundträger (1), die Fenster (71 und 81) und dem mikrofluidischen Chip führt.
Verfahren zur Verwendung einer justierbare Aufnahmevorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mikrofluidische Chip optisch mit einem Spektrometer gekoppelt ist.