DE102011003856A1

DE102011003856A1 - Mikrosystem für fluidische Anwendungen sowie Herstellungsverfahren und Benutzungsverfahren für ein Mikrosystem für fluidische Anwendungen

Info

Publication number: DE102011003856A1
Application number: DE102011003856A
Authority: DE
Inventors: Manuela Schmidt; Martina Daub; Jochen Rupp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-02-09
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2012-08-09
Anticipated expiration: 2031-02-10
Also published as: DE102011003856B4; ITMI20120113A1; US9309879B2; US20120214254A1; FR2971500A1; FR2971500B1; CN102633226A

Abstract

Ein Mikrosystem (10, 50, 80) für fluidische Anwendungen hat ein Substrat (20, 51, 84), welches ein Reservoir (15, 52, 85), einen mit dem Reservoir (15, 52, 85) verbundenen ersten Mikrokanal (16, 53, 86), und einen von dem ersten Mikrokanal (16, 53, 86) durch einen Steg getrennten zweiten Mikrokanal (18, 55, 88) aufweist. Das Mikrosystem hat weiterhin eine elastische Folie (13, 58, 83) auf dem Substrat (20, 51, 84), welche eine Fügung mit dem Substrat (20, 51, 84) um das Reservoir (15, 52, 85) aufweist und das Reservoir (15, 52, 85) verschließt. Dabei weist die Fügung (33, 68) eine dauerhafte Fügefläche (29, 65, 89) und an dem Steg (17, 54, 87) eine aufbrechbare Steg-Fügefläche (31, 66) auf, welche sich an beiden Enden des Stegs (17, 54, 87) an die dauerhafte Fügefläche (29, 65, 89) anschließt. Ein solches Mikrosystem (10, 50, 80) bildet einen Prozessierchip mit Reagenzienvorlage.

Description

Die vorliegende Erfindung betifft ein Mikrosystem für fluidische Anwendungen sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren und Benutzungsverfahren für ein Mikrosystem für fluidische Anwendungen.
Stand der Technik
In mikrofluidische Systeme, wie sie beispielsweise für die Diagnostik oder Analytik verwendet werden, müssen Reagenzienflüssigkeiten eingebracht werden. Diese Mikrosysteme sind idealerweise sterile Einwegprodukte und bestehen deshalb üblicherweise aus Kunststoffen.
Die übliche Vorgehensweise nach dem Stand der Technik ist die Zufuhr der Reagenzienflüssigkeiten während des Ablaufs eines Reaktionsprotokolls (Assay). Diese Zufuhr erfolgt über externe Geräte wie beispielsweise Spritzenpumpen, die über Schläuche mit dem mikrofluidischen System verbunden werden. Eine andere Möglichkeit ist das Zupipettieren der Flüssigkeiten in Wells, das sind Töpfchen, die an den Kanalöffnungen angebracht sind. Es ist vorgeschlagen worden, flüssige Reagenzien im mikrofluidischen System vorzulegen. Dabei werden die Flüssigkeiten in Glasampullen vorgelagert, die in den Mikrokanal eingelegt werden. Diese Ampullen werden während des Assayablaufs mechanisch zerstört und folglich entleert. Das Zudosieren von Reagenzienflüssigkeiten von außen ist vom Anwender und/oder vom Equipment abhängig und unterliegt den Fehlereinflüssen Volumenschwankungen, Kontamination der Flüssigkeit und Zugabe falscher Reagenzien.
Die US 2006/0076068 beschreibt Möglichkeiten in einem Mikrosystem eine Membran als Ventil oder als Pumpe einzusetzen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1, 10 und 12 basiert auf einem Mehrlagenaufbau aus einem steifen, formstabilen flachen Substrat und einer elastischen, beweglichen Membran bzw. Folie. Das Substrat enthält mindestens eine Vertiefung zur Aufnahme von Reagenzien in flüssiger Form und einen durch eine Sollbruchstelle davon getrennten Mikrokanal zur Entleerung des Reservoirs. Mittels einer elastischen Membran wird die Vertiefung versiegelt. Durch Auslenken der Membran in die Vertiefung hinein wird die Flüssigkeit in Richtung des Entleerungskanals verdrängt, wodurch ein erhöhter Flüssigkeitsdruck im Kanalbereich nahe der Sollbruchstelle erzeugt wird, indem dort die Membran nach oben ausgelenkt wird.
Die Sollbruchstelle ist so ausgelegt, dass sie bei der Überschreitung eines kritischen Drucks bricht. Dieser Effekt kann durch unterschiedliche Techniken erreicht werden, wie beispielsweise mittels Folienschweißen durch die Verwendung bestimmter Schweißparameter oder durch bestimmte Geometrien der Fügenaht bzw. der Fügezone. Auf diese Art und Weise können auch mehrere Reservoire in einem System angeordnet werden, die bei unterschiedlichem kritischem Drücken brechen. Die Membranauslenkung zur Entleerung des Reservoirs kann beispielsweise mechanisch, thermisch oder pneumatisch erfolgen. Durch die Zerstörung der Sollbruchstelle wird eine fluidische Verbindung zum Entleerungskanal hergestellt und das Reservoir kann entleert werden.
Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Einschließen der Reagenzienflüssigkeit während des Herstellungsprozesses eines mikrofluidischen Systems. Ferner ermöglicht die Erfindung das gezielte Öffnen und das anschließende vollständige und aktive Entleeren des Flüssigkeitsreservoirs zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Assayablaufs.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist das Vermeiden der Lagerung von großen Flüssigkeitsmengen in externen mit dem mikrofluidischen System verbundenen Behältnissen und die damit verbundenen Sterilitätsprobleme bis hin zur nachfolgenden Verfälschung der Analyseergebnisse.
Weitere Vorteile der Erfindung sind: Das beschriebene Herstellungsverfahren mit Polymermaterialien und Laserschweißen ermöglicht die wirtschaftliche Herstellung von Einwegmikrosystemen für die betrachteten Anwendungen.
Die Flüssigkeit kann in geschützter, abgeschlossener Form gelagert werden. Das Volumen kann qualitätskontrolliert, das heißt volumengenau, im Laufe des Produktionsprozesses vorgelegt werden. Das Reservoir wird erst genau zum Einsatzzeitpunkt geöffnet, wodurch Fehlereinflüsse auf den Assayablauf aufgrund von Transport- oder Anwendereinflüssen minimiert werden. Des Reservoir befindet sich genau am Einsatzort im mikrofluidischen System, so dass Totvolumina minimiert werden. Dadurch wird eine Kontamination vermieden sowie die Dosiergenauigkeit im Vergleich zu Spritzenpumpen mit Schlauchanbindung an das Mikrosystem erhöht. Der Anwender kommt nicht mit den Reagenzien in Berührung, wodurch die Hygiene verbessert wird. Durch das aktive Entleeren des Reservoirs werden eine hohe Anwenderfreundlichkeit und eine Zeitersparnis im Vergleich zum Pipettieren erreicht. Ferner werden Einsparungen von händischen Arbeitsschritten, z. B. bei einem Laserschweißen, erreicht. Durch ein adäquates Herstellungsverfahren können auch thermisch empfindliche Reagenzien eingeschlossen werden. Einlegeteile, wie beispielsweise Glasampullen, werden vermieden. Außerdem wird ein zusätzlicher Verpackungsschritt für die Reagenzflüssigkeit vermieden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A–D zeigen eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines Mikrosystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Längsschnitt in Abschnitten A, C, und Aufsicht in Abschnitten B, D, jeweils mit intakter Steg-Fügefläche in Abschnitten A, B und aufgebrochener Steg-Fügefläche in Abschnitten C, D.
2A–D zeigen eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines Mikrosystems gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wiederum in Längsschnitt in Abschnitten A, C. und Aufsicht in Abschnitten B, D, jeweils mit intakter Steg-Fügefläche in Abschnitten A, B und aufgebrochener Steg-Fügefläche in Abschnitten C, D.
3A–C zeigen eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines Mikrosystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit aufgebrochener Steg-Fügefläche in Seitenansicht in Abschnitt A, und Aufsicht in Abschnitt B, mit Ausschnittsvergrößerung in Abschnitt C.
4 zeigt ein Flussdiagramm des Herstellungsverfahrens für ein Mikrosystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt ein Flussdiagramm des Benutzungsverfahrens für ein Mikrosystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt die Struktur und die Wirkungsweise eines Mikrosystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung an einem Ausschnitt des Mikrosystems 10. Abschnitt A zeigt den schichtweisen Aufbau des im wesentlichen flächenartigen Mikrosystems 10 mit einer Basis-Substrat-Lage 11, einer auf der Basis-Substrat-Lage 11 liegenden fluidischen Substrat-Lage 12 und einer auf der fluidischen Substrat-Lage 12 liegenden elastischen Folie 13. Die Basis-Substrat-Lage 11 ist nicht strukturiert und dient als stabiler Untergrund. Die fluidische Substrat-Lage 12 enthält Komponenten eines fluidischen Netzwerks.
Der dargestellte Ausschnitt weist ein Reservoir 15, einen mit dem Reservoir 15 verbundenen ersten Mikrokanal 16, und einen von dem ersten Mikrokanal 16 durch einen Steg 17 getrennten zweiten Mikrokanal 18 auf. An den zweiten Mikrokanal 18 schließen sich außerhalb des gezeigten Ausschnitts weitere Komponenten eines fluidischen Netzwerks an. Die Basissubstrat-Lage 11 und die fluidische Substrat-Lage 12 bilden zusammen ein Substrat 20. Das Substrat 20 weist eine Oberfläche 21 auf, die an die Folie 13 angrenzt. An die Oberfläche 21 grenzen Substratmaterial im Bereich 22, eine Öffnung 19 des Reservoirs 15, ein dem Reservoir 15 abgewandtes Ende 27 des ersten Mikrokanals 16 und der zweiten Mikrokanal 18. Das Reservoir 15 und der erste Mikrokanal 16 sind mit einer Reagenzienflüssigkeit 23 gefüllt. Der zweite Mikrokanal 18 ist nicht notwendigerweise mit einer Reagenzienflüssigkeit gefüllt.
Abschnitt B der 1 erläutert nun das Fügen der Folie 13 mit dem Substrat 20. Die Folie 13 ist im Bereich 22 flächig mit dem Substrat 20 verbunden. Die Folie 13 bildet einen elastischen ersten Folienabschnitt 24 auf dem Substrat 20, welcher das Reservoir 15 mit einer dauerhaften durchgehenden umlaufenden Fügefläche 25 mit dem Substrat 20 verschließt. Die Folie 13 bildet einen elastischen zweiten Folienabschnitt 26 auf dem Substrat 20, welcher den Steg 17 und Enden 27, 28 des ersten und zweiten Mikrokanals 16, 18 überdeckt. Der zweite Folienabschnitt 26 weist an seinem Umfang eine dauerhafte Fügefläche 30 mit dem Substrat 20 auf und weist an dem Steg 17 eine aufbrechbare Steg-Fügefläche 31 mit dem Substrat 20 auf, welche sich an beiden Enden 32 des Stegs 17 an die dauerhafte Fügefläche 30 anschließt.
Der erste Mikrokanal 16 verläuft zwischen dem Reservoir 15 und dem Ende 27 nicht an der Oberfläche 21 des Substrats. Das Reservoir 15 und der damit verbundene erste Mikrokanal 16 sind mit der Reagenzienflüssigkeit 23 gefüllt. Sie bilden zusammen den verbundenen Hohlraum 34, der vollständig umgeben ist von dem Substrat 20, dem ersten Folienabschnitt 24 und dem zweiten Folienabschnitt 26. Aufgrund der durchgehenden umlaufenden Fügefläche 25 des ersten Folienabschnitts 24 ist die Öffnung 19 des Reservoirs 15 versiegelt. Aufgrund der dauerhaften Fügefläche 30 sowie der sich daran anschließenden Steg-Fügefläche 31 des zweiten Folienabschnitts 26 ist das abgewandte Ende 27 des ersten Mikrokanals 16 versiegelt. Folglich sind die verbundenen Hohlräume 34 mittels der Folienabschnitte 24 und 26 versiegelt.
Die Folie 13 ist auch außerhalb des dargestellten Ausschnitts derart mit dem Substrat 20 verbunden, dass die Folie 13 den zweiten Mikrokanal 18 abdeckt. Der zweite Mikrokanal 18 weist daher keine Öffnung nach außen auf. Die dauerhaften Fügeflächen 25 und 30 werden als dauerhafte Fügefläche 29 zusammengefasst. Die Folie 13 auf dem Substrat 20 weist somit eine Fügung 33 mit dem Substrat 20 um das Reservoir 15 herum auf und verschließt das Reservoir 15, wobei die Fügung 33 die dauerhafte Fügefläche 29 und an dem Steg 17 die aufbrechbare Steg-Fügefläche 31 aufweist, welche sich an beiden Enden des Stegs 17 an die dauerhafte Fügefläche 29 anschließt.
Anhand der Abschnitte C und D der 1 wird nun die Wirkungsweise des Ausschnitts des Mikrosystems 10 erläutert. Zunächst wird der elastische erste Folienabschnitt 24 in das Reservoir 15 hinein gedrückt, dargestellt durch den Pfeil 37. Damit wird ein Flüssigkeitsvolumen der Reagenzienflüssigkeit 23 aus den verbundenen Hohlräumen 34 verdrängt, welches gegen den elastischen zweiten Folienabschnitt 26 drückt und dessen Verformung bewirkt. Dabei bildet sich ein Verdrängungshohlraum unter dem zweiten Folienabschnitt 26 im Bereich des Endes 27 des ersten Mikrokanals 16, welcher die verdrängte Reagenzienflüssigkeit 23 aufnimmt. Bei hinreichender Verformung des zweiten Folienabschnitts 26 bricht die Fügung 33 zwischen Substrat 20 und der Folie 13 an der aufbrechbaren Steg-Fügefläche 31. Über dem Steg 17 und den Enden 27, 28 des ersten und zweiten Mikrokanals 16, 18 bildet sich ein Hohlraum 36, durch den die Reagenzienflüssigkeit 23 vom ersten Mikrokanal 16 in den zweiten Mikrokanal 18 fließt.
Die Abschnitte C und D der 1 zeigen nun den Zustand des Ausschnitts des Mikrosystems 10 nach Aufbrechen der Steg-Fügefläche 31. Die Folie 13 ist in Richtung des Pfeils 37 in das Reservoir 15 hinein gedrückt worden. Die Steg-Fügefläche 31 ist in der Mitte 40 aufgebrochen mit verbliebenen Resten 41. Die Reagenzienflüssigkeit 23 füllt nun nur noch einen Reservoirteil 38 des Reservoirs 15, füllt aber den ersten Mikrokanal 16, den Hohlraum 36 und den zweiten Mikrokanal 18 aus.
In dieser Ausführungsform weist die aufbrechbare Steg-Fügefläche 31 die Form einer Pfeilspitze in Richtung des ersten Mikrokanals 16 auf. Dies fordert das definierte Aufbrechen der aufbrechbaren Steg-Fügefläche 31 in ihrer Funktion als Sollbruchstelle.
In dieser Ausführungsform weist das Substrat 20 eine an die Folienabschnitte 24 und 26 grenzende fluidische Substrat-Lage 12 mit einer fluidischen Struktur und eine den Folienabschnitten 24 und 26 gegenüberliegende Basis-Substrat-Lage 11 als Deckel-Lage auf. Damit kann die gesamte Dicke der fluidischen Substrat-Lage 12 für Hohlräume wie das Reservoir 15 und den ersten Mikrokanal 16 genutzt werden. Dies erleichtert die Fertigung von Mikrosystemen, da sämtliche an die Deckel-Lage angrenzenden Hohlräume von der Deckel-Lage begrenzt werden.
Die Folie 13 und somit der erste und zweite Folienabschnitt 24, 26 weist vorzugsweise ein elastisches Polymer, z. B. ein Polyurethan, auf. Das Substrat 20 weist vorzugsweise ein thermoplastisches Polymer, z. B. Polycarbonat, auf. Vorteilhafte Volumina der Vertiefung, des Reservoirs 15, sind 1 μl bis 500 μl. Möglich sind neben den Polymeren auch Materialkombinationen aus formstabilen und elastischen Substraten, die durch ein geeignetes Herstellungsverfahren lokal miteinander verbunden werden können, z. B. durch Ultraschallschweißen, Kleben, Laserschweißen, Mikrowellenschweißen.
Das erfindungsgemäße Mikrosystem 10 bildet einen Prozessierchip mit Reagenzienvorlage. Durch definiertes Eindrücken der Folie 13 und Aufbrechen der Versiegelung der verbundenen Hohlräume mit Reagenzienflüssigkeit 23 kann einmal oder wiederholt eine definierte Menge der Reagenzienflüssigkeit 23 in den zweiten Mikrokanal 18 und damit an beliebige Orte im fluidischen System gefördert werden.
2 zeigt einem Ausschnitt eines Mikrosystems 50 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Längsschnitt mit intakter Steg-Fügefläche in Abschnitt A und aufgebrochener Steg-Fügefläche in Abschnitt B.
Im Unterschied zum Mikrosystem 10 aus 1 weist das Mikrosystem 50 eine einzige Lage des Substrats 51 auf. Das Substrat 51 weist ein Reservoir 52, einen mit dem Reservoir 52 verbundenen ersten Mikrokanal 53, und einen von dem ersten Mikrokanal 53 durch einen Steg 54 getrennten zweiten Mikrokanal 55 auf. Sämtliche Hohlräume des fluidischen Netzwerks grenzen nicht an die Unterseite 56 des Substrats 51, sondern an die Oberseite 57, an welche eine Folie 58 grenzt.
Daher verläuft von dem Reservoir 52 der erste Mikrokanal 53 zum Steg 54 an der Oberseite 57 des Substrats 51. Das Reservoir 52 und der damit verbundene erste Mikrokanal 53 sind mit der Reagenzienflüssigkeit 59 gefüllt. Sie bilden den verbundenen Hohlraum 60 an der Oberseite 57. Die elastische Folie 58 verschließt das Reservoir und überdeckt den Steg 54 und Enden 67, 68 des ersten und zweiten Mikrokanals 53, 55. Die elastische Folie 58 weist um das Reservoir 52 eine dauerhafte Fügefläche 65 mit dem Substrat 51 und an dem Steg 54 eine aufbrechbare Steg-Fügefläche 66 mit dem Substrat auf, welche sich an beiden Enden 67, 68 des Stegs 54 an die dauerhafte Fügefläche 65 anschließt. Die dauerhafte Fügefläche 65 und die aufbrechbare Steg-Fügefläche 66 bilden eine Fügung mit dem Substrat 51 um das Reservoir 52, die das Reservoir 52 verschließt. In dieser Ausführungsform, in der das Reservoir 52 und die Verbindung zum Entleerungskanal 55 auf einer Fläche des Substrats 51 angeordnet sind, kann vorteilhaft eine Stößelaktuierung zur Entleerung des Reservoirs 52 vorgesehen werden.
Die Abschnitte C und D der 2 zeigen nun den Zustand des Ausschnitts des Mikrosystems 50 nach Aufbrechen der Steg-Fügefläche 66. Die Folie 58 ist in das Reservoir 52 hinein gedrückt worden. Die Steg-Fügefläche 66 ist in der Mitte 70 aufgebrochen mit verbliebenen Resten 71. Die Reagenzienflüssigkeit 59 füllt nun nur noch einen Reservoirteil 72 des Reservoirs 52, füllt aber den ersten Mikrokanal 53, den Hohlraum 73 und den zweiten Mikrokanal 55 aus.
3 zeigt ein Mikrosystem 80 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit aufgebrochener Steg-Fügefläche. Das Mikrosystem 80 weist wie das Mikrosystem 10 aus 1 eine Basis-Substrat-Lage 81, eine auf der Basis-Substrat-Lage 81 liegenden fluidischen Substrat-Lage 82 und eine auf der fluidischen Substrat-Lage 82 liegenden elastischen Folie 83 auf. Die Basis-Substrat-Lage 81 und die fluidische Substrat-Lage 82 bilden das Substrat 84.
Der dargestellte Ausschnitt weist wieder ein Reservoir 85, einen mit dem Reservoir 85 verbundenen ersten Mikrokanal 86, und einen von dem ersten Mikrokanal 86 durch einen Steg 87 getrennten zweiten Mikrokanal 88 auf. An den zweiten Mikrokanal 88 schließen sich außerhalb des gezeigten Ausschnitts weitere Komponenten eines fluidischen Netzwerks an. Die Folie 83 weist eine dauerhafte Fügefläche 89 mit dem Substrat 84 auf und weist eine aufbrechbare, hier aufgebrochen gezeigte, Steg-Fügefläche mit dem Substrat 84 auf, welche sich an beiden Enden des Stegs 87 an die dauerhafte Fügefläche 89 anschließt.
Im Unterschied zum Mikrosystem 10 aus 1 weist Mikrosystem 80 eine an die Folie 83 angrenzende Schutz-Lage 92 gegenüber dem Substrat 84 mit einer Ausnehmung 93 im Bereich der aufbrechbaren Fügefläche an dem Steg 87 und einer Ausnehmung 94 im Bereich des Reservoirs 85 auf. Die Schutzlage 92 sichert einerseits die Folie 83 gegen Beschädigung und bietet einen Schutz gegen austretende Reagenzienflüssigkeit 95, falls die Folie 83 um Bereich des Reservoirs 85 oder an dem Steg 87 reißt. Die Ausnehmung 94 lässt nur lokal eine Auslenkung der Membran bzw. Folie 83 zu. Das Auslenken der elastischen Membran bzw. Folie 83 führt dann zur Zerstörung der vollständigen Fügung in diesem Bereich und zur Ausbildung einer fluiden Verbindung vom ersten Mikrokanal 86 zum zweiten Mikrokanal 88.
Anhand des Abschnitts C der 3 ist vergrößert dargestellt, wie die Steg-Fügefläche der Folie 83 am Steg 87 aufgebrochen ist. Über dem Steg 87 und den Enden des ersten und zweiten Mikrokanals 86, 88 bildet sich ein Hohlraum, durch den Reagenzienflüssigkeit 95 vom ersten Mikrokanal 86 in den zweiten Mikrokanal 88 fließt.
Ein Mikrosystem 10, 50, 80 bildet einen Prozessierchip mit Reagenzienvorlage.
4 zeigt ein Flussdiagramm 100 des Herstellungsverfahrens für ein Mikrosystem 10, 50, 80 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Herstellungsverfahren geht aus von einem Mikrosystem 10, 50, 80 für fluidische Anwendungen mit einem Substrat 20, 51, 84, welches ein Reservoir 15, 52, 85, einen mit dem Reservoir 15, 52, 85 verbundenen ersten Mikrokanal 16, 53, 86, und einen von dem ersten Mikrokanal 16, 53, 86 durch einen Steg getrennten zweiten Mikrokanal 18, 55, 88 aufweist. Es beginnt mit dem Verfahrensschritt a) Befüllen des Reservoirs 15, 52, 85 mit einer Reagenzienflüssigkeit. Es folgt der Verfahrensschritt b) Anordnen auf dem Substrat 20, 51, 84 und formschlüssiges Fügen der Folie 13, 64, 58, 83 mit dem Substrat 20, 51, 84, wobei die Folie 13, 64, 58, 83 um das Reservoir 15, 52, 85 eine Fügung mit dem Substrat 20, 51, 84 bildet, die eine den ersten und zweiten Mikrokanal 16, 53, 86; 18, 55, 88 trennende, an dem Steg aufbrechbare Fügefläche mit dem Substrat 20, 51, 84 bildet.
Das Befüllen des Reservoirs 15, 52, 85 mit der Reagenzienflüssigkeit erfolgt z. B. mittels eines Pipettierroboters, der Reagenzienflüssigkeit, z. B. PCR-Puffer, Lyse-Puffer, Waschpuffer, Elutionspuffer, in das Reservoir 15, 52, 85 füllt.
Die Membran bzw. Folie 13, 58, 64, 83 wird über dem Substrat 20, 51, 84 angeordnet und formschlüssig verschweißt, wodurch die Reagenzienflüssigkeit in dem Reservoirs 15, 52, 85 eingeschlossen wird. Das Fügen erfolgt lokal, vorzugsweise mittels Laserschweißen, Ultraschallschweißen, Mikrowellenschweißen oder Kleben entlang der Kontur des Reservoirs 15, 52, 85. Hierbei wird die aufbrechbare Fügefläche als Sollbruchstelle der Membran bzw. Folie 13, 64, 58, 83 hergestellt. Die Sollbruchstelle kann erhalten werden, indem schwächere Fügeparameter angewendet werden als bei der dauerhaften Fügung der Membran, beispielsweise eine schmalere Schweißnaht, oder indem eine Form der Fügenaht die Konzentration mechanischer Spannungen an einer Stelle bewirkt.
In den Ausführungsformen der 1 bis 3 sind beide Möglichkeiten angewendet worden, nämlich einerseits eine schmale Schweißnaht der Folie 13, 64, 58, 83 auf dem Steg, bei einer flächenhaften Verschweißung der Folie 13, 64, 58, 83 mit der Substratoberfläche und andererseits eine Schweißnaht der Folie 13, 64, 58, 83 auf dem Steg in Form einer Pfeilspitze, die mechanische Spannungen an der Spitze konzentriert.
5 zeigt ein Flussdiagramm 110 des Benutzungsverfahrens für ein Mikrosystem 10, 50, 80 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Benutzungsverfahren geht aus von einem Mikrosystem 10, 50, 80 für fluidische Anwendungen mit einem Substrat, welches ein mit einer Reagenzienflüssigkeit gefülltes Reservoir 15, 52, 85, einen mit dem Reservoir 15, 52, 85 verbundenen ersten Mikrokanal, und einen von dem ersten Mikrokanal mittels einer aufbrechbaren fluidischen Barriere getrennten zweiten Mikrokanal aufweist, wobei das Reservoir mit einer elastischen Folie versiegelt ist. Es beginnt mit dem Verfahrensschritt a) Auslenken des der Folie 13, 64, 58, 83 in das Reservoir 15, 52, 85 und Verdrängen von Reagenzienflüssigkeit aus dem Reservoir 15, 52, 85. Es folgt der Verfahrensschritt b) Aufbrechen der aufbrechbaren fluidische Barriere. Nun folgt der Verfahrensschritt c) Fördern von Reagenzienflüssigkeit aus dem Reservoir 15, 52, 85 durch den ersten Mikrokanal 16, 53, 86, entlang der aufgebrochenen fluidischen Barriere in den zweiten Mikrokanal 18, 55, 88.
Das Mikrosystem 10, 50, 80 weist vorzugsweise einen elastischen Folienabschnitt auf, welcher Enden des ersten und zweiten Mikrokanals 16, 53, 86; 18, 55, 88 und einen Steg dazwischen überdeckt, wobei die Folie 13, 64, 58, 83 um das Reservoir eine Fügung mit dem Substrat bildet, die eine den ersten und zweiten Mikrokanal 16, 53, 86; 18, 55, 88 trennende, an dem Steg aufbrechbare Fügefläche als fluidische Barriere mit dem Substrat aufweist. Das Auslenken der Folie 13, 64, 58, 83 in das Reservoir 15, 52, 85 erfolgt vorteilhaft mittels eines Steuergeräts.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2006/0076068 [0004]

Claims

Mikrosystem (10, 50, 80) für fluidische Anwendungen mit einem Substrat (20, 51, 84), welches ein Reservoir (15, 52, 85), einen mit dem Reservoir (15, 52, 85) verbundenen ersten Mikrokanal (16, 53, 86), und einen von dem ersten Mikrokanal (16, 53, 86) durch einen Steg (17, 54, 87) getrennten zweiten Mikrokanal (18, 55, 88) aufweist, und mit einer elastischen Folie (13, 58, 83) auf dem Substrat (20, 51, 84), welche eine Fügung mit dem Substrat (20, 51, 84) um das Reservoir (15, 52, 85) aufweist und das Reservoir (15, 52, 85) verschließt, wobei die Fügung (33, 68) eine dauerhafte Fügefläche (29, 65, 89) und an dem Steg (17, 54, 87) eine aufbrechbare Steg-Fügefläche (31, 66) aufweist, welche sich an beiden Enden des Stegs (17, 54, 87) an die dauerhafte Fügefläche (29, 65, 89) anschließt.
Mikrosystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (13) einen ersten Folienabschnitt (24), welcher das Reservoir (15, 52, 85) verschließt, und einen zweiten Folienabschnitt (26), welcher den Steg (17, 54, 87) und Enden des ersten Mikrokanals (16, 53, 86) und des zweiten Mikrokanals (18, 55, 88) überdeckt und verschließt, aufweist.
Mikrosystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Folienabschnitt (24) und der zweite Folienabschnitt (26) Abschnitte derselben Folie (13, 58, 83) sind.
Mikrosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aufbrechbare Fügefläche (31, 66) die Form einer Pfeilspitze in Richtung des ersten Mikrokanals (16, 53, 86) aufweist.
Mikrosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (13, 58, 83) ein elastisches Polymer aufweist.
Mikrosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (20, 51, 84) ein thermoplastisches Polymer aufweist.
Mikrosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (20, 51, 84) eine an die Folie (13, 58, 83) grenzende fluidische Substrat-Lage (12) mit einer fluidischen Struktur und eine der Folie (13, 58, 83) gegenüberliegende Deckel-Lage (11) aufweist.
Mikrosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrosystem (10, 50, 80) eine an die Folie (13, 58, 83) angrenzende Schutz-Lage (92) gegenüber dem Substrat (20, 51, 84) mit einer Ausnehmung (93) im Bereich der aufbrechbaren Fügefläche (31, 66) aufweist.
Mikrosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrosystem (10, 50, 80) einen Prozessierchip mit Reagenzienvorlage bildet.
Herstellungsverfahren für ein Mikrosystem (10, 50, 80) für fluidische Anwendungen mit einem Substrat (20, 51, 84), welches ein Reservoir (15, 52, 85), einen mit dem Reservoir (15, 52, 85) verbundenen ersten Mikrokanal (16, 53, 86), und einen von dem ersten Mikrokanal (16, 53, 86) durch einen Steg (17, 54, 87) getrennten zweiten Mikrokanal (18, 55, 88) aufweist, mit den Verfahrensschritten a. Befüllen des Reservoirs (15, 52, 85) mit einer Reagenzienflüssigkeit; b. Anordnen auf dem Substrat (20, 51, 84) und Fügen einer Folie (13, 58, 83) mit dem Substrat (20, 51, 84), wobei die Folie (13, 58, 83) um das Reservoir (15, 52, 85) eine Fügung (33, 68) mit dem Substrat bildet, die eine den ersten Mikrokanal (16, 53, 86) und zweiten Mikrokanal (18, 55, 88) trennende, an dem Steg (17, 54, 87) aufbrechbare Fügefläche (31, 66) mit dem Substrat bildet.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügen mittels lokalen Fügeverfahren, insbesondere Laserschweißen, Ultraschallschweißen, erfolgt.
Benutzungsverfahren für ein Mikrosystem (10, 50, 80) für fluidische Anwendungen mit einem Substrat (20, 51, 84), welches ein mit einer Reagenzienflüssigkeit gefülltes Reservoir, einen mit dem Reservoir (15, 52, 85) verbundenen ersten Mikrokanal (16, 53, 86), und einen von dem ersten Mikrokanal (16, 53, 86) mittels einer aufbrechbaren fluidischen Barriere (31, 66) getrennten zweiten Mikrokanal (18, 55, 88) aufweist, wobei das Reservoir mit einer elastischen Folie (13, 58, 83) versiegelt ist, mit den Verfahrensschritten a. Auslenken der Folie (13, 58, 83) in das Reservoir (15, 52, 85) und Verdrängen von Reagenzienflüssigkeit aus dem Reservoir (15, 52, 85); b. Aufbrechen der aufbrechbaren fluidische Barriere; c. Fördern von Reagenzienflüssigkeit aus dem Reservoir (15, 52, 85) durch den ersten Mikrokanal (16, 53, 86), entlang der aufgebrochenen fluidischen Barriere (31, 66) in den zweiten Mikrokanal (18, 55, 88).
Benutzungsverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrosystem (10, 50, 80) eine elastische Folie (13, 58, 83) aufweist, welche Enden des ersten Mikrokanals (16, 53, 86) und zweiten Mikrokanals (18, 55, 88) und einen Steg (17, 54, 87) dazwischen überdeckt, wobei die Folie (13, 58, 83) um das Reservoir (15, 52, 85) eine Fügung mit dem Substrat (20, 51, 84) bildet, die eine den ersten Mikrokanal (16, 53, 86) und den zweiten Mikrokanal (18, 55, 88) trennende, an dem Steg (17, 54, 87) aufbrechbare Fügefläche (31, 66) als fluidischen Barriere mit dem Substrat aufweist.
Benutzungsverfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslenken der Folie (13, 58, 83) in das Reservoir (15, 52, 85) mittels eines Steuergeräts oder von Hand erfolgt.