DE102011003856B4 - Mikrosystem für fluidische Anwendungen sowie Herstellungsverfahren und Benutzungsverfahren für ein Mikrosystem für fluidische Anwendungen - Google Patents
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Abstract
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, wobei 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 und 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, und wobei die Schutz-Lage (92) eine Ausnehmung (94) im Bereich des Reservoirs (85) aufweist.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft 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 2006/0 076 068 A1 - Die
US 2004/0209354 A1 - Die
JP 2006-212473 A - Die
US 2003/0215342 A1 - Die
US 5 932 799 A beschreibt ein mikrofluidisches Analysemodul. Laminatschichten können dabei ein Netzwerk von Flusskanälen für eine Fküssigkeit bilden. - Die
US 2006/0076068 A1 - M. J. Mescher et al. „Fabrication Methods and Performance of Low-Permeability Microfluidic components for a Miniaturized Wearable Drug Delivery System"; Journal of Micromechanical Systems, Vol. 18, No. 3, June 2009, S. 501 - 510, beschreibt ein Verfahren zum Herstellen und Anwenden mikrofluidischer Bauteile.
- 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. Das 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.
- Figurenliste
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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. -
2 A-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
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1 zeigt die Struktur und die Wirkungsweise eines Mikrosystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung an einem Ausschnitt des Mikrosystems10 . Abschnitt A zeigt den schichtweisen Aufbau des im wesentlichen flächenartigen Mikrosystems10 mit einer Basis-Substrat-Lage11 , einer auf der Basis-Substrat-Lage11 liegenden fluidischen Substrat-Lage12 und einer auf der fluidischen Substrat-Lage12 liegenden elastischen Folie13 . Die Basis-Substrat-Lage11 ist nicht strukturiert und dient als stabiler Untergrund. Die fluidische Substrat-Lage12 enthält Komponenten eines fluidischen Netzwerks. - Der dargestellte Ausschnitt weist ein Reservoir
15 , einen mit dem Reservoir15 verbundenen ersten Mikrokanal16 , und einen von dem ersten Mikrokanal16 durch einen Steg17 getrennten zweiten Mikrokanal18 auf. An den zweiten Mikrokanal18 schließen sich außerhalb des gezeigten Ausschnitts weitere Komponenten eines fluidischen Netzwerks an. Die Basis-Substrat-Lage11 und die fluidische Substrat-Lage12 bilden zusammen ein Substrat20 . Das Substrat20 weist eine Oberfläche21 auf, die an die Folie13 angrenzt. An die Oberfläche21 grenzen Substratmaterial im Bereich22 , eine Öffnung19 des Reservoirs15 , ein dem Reservoir15 abgewandtes Ende27 des ersten Mikrokanals16 und der zweiten Mikrokanal18 . Das Reservoir15 und der erste Mikrokanal16 sind mit einer Reagenzienflüssigkeit23 gefüllt. Der zweite Mikrokanal18 ist nicht notwendigerweise mit einer Reagenzienflüssigkeit gefüllt. - Abschnitt B der
1 erläutert nun das Fügen der Folie13 mit dem Substrat20 . Die Folie13 ist im Bereich22 flächig mit dem Substrat20 verbunden. Die Folie13 bildet einen elastischen ersten Folienabschnitt24 auf dem Substrat20 , welcher das Reservoir15 mit einer dauerhaften durchgehenden umlaufenden Fügefläche25 mit dem Substrat20 verschließt. Die Folie13 bildet einen elastischen zweiten Folienabschnitt26 auf dem Substrat20 , welcher den Steg17 und Enden27 ,28 des ersten und zweiten Mikrokanals16 ,18 überdeckt. Der zweite Folienabschnitt26 weist an seinem Umfang eine dauerhafte Fügefläche30 mit dem Substrat20 auf und weist an dem Steg17 eine aufbrechbare Steg-Fügefläche31 mit dem Substrat20 auf, welche sich an beiden Enden32 des Stegs17 an die dauerhafte Fügefläche30 anschließt. - Der erste Mikrokanal
16 verläuft zwischen dem Reservoir15 und dem Ende27 nicht an der Oberfläche21 des Substrats. Das Reservoir15 und der damit verbundene erste Mikrokanal16 sind mit der Reagenzienflüssigkeit23 gefüllt. Sie bilden zusammen den verbundenen Hohlraum34 , der vollständig umgeben ist von dem Substrat20 , dem ersten Folienabschnitt24 und dem zweiten Folienabschnitt26 . Aufgrund der durchgehenden umlaufenden Fügefläche25 des ersten Folienabschnitts24 ist die Öffnung19 des Reservoirs15 versiegelt. Aufgrund der dauerhaften Fügefläche30 sowie der sich daran anschließenden Steg-Fügefläche31 des zweiten Folienabschnitts26 ist das abgewandte Ende27 des ersten Mikrokanals16 versiegelt. Folglich sind die verbundenen Hohlräume34 mittels der Folienabschnitte24 und26 versiegelt. - Die Folie
13 ist auch außerhalb des dargestellten Ausschnitts derart mit dem Substrat20 verbunden, dass die Folie13 den zweiten Mikrokanal18 abdeckt. Der zweite Mikrokanal18 weist daher keine Öffnung nach außen auf. Die dauerhaften Fügeflächen25 und30 werden als dauerhafte Fügefläche29 zusammengefasst. Die Folie13 auf dem Substrat20 weist somit eine Fügung33 mit dem Substrat20 um das Reservoir15 herum auf und verschließt das Reservoir15 , wobei die Fügung33 die dauerhafte Fügefläche29 und an dem Steg17 die aufbrechbare Steg-Fügefläche31 aufweist, welche sich an beiden Enden des Stegs17 an die dauerhafte Fügefläche29 anschließt. - Anhand der Abschnitte C und D der
1 wird nun die Wirkungsweise des Ausschnitts des Mikrosystems10 erläutert. Zunächst wird der elastische erste Folienabschnitt24 in das Reservoir15 hinein gedrückt, dargestellt durch den Pfeil37 . Damit wird ein Flüssigkeitsvolumen der Reagenzienflüssigkeit23 aus den verbundenen Hohlräumen34 verdrängt, welches gegen den elastischen zweiten Folienabschnitt26 drückt und dessen Verformung bewirkt. Dabei bildet sich ein Verdrängungshohlraum unter dem zweiten Folienabschnitt26 im Bereich des Endes27 des ersten Mikrokanals16 , welcher die verdrängte Reagenzienflüssigkeit23 aufnimmt. Bei hinreichender Verformung des zweiten Folienabschnitts26 bricht die Fügung33 zwischen Substrat20 und der Folie13 an der aufbrechbaren Steg-Fügefläche31 . Über dem Steg17 und den Enden27 ,28 des ersten und zweiten Mikrokanals16 ,18 bildet sich ein Hohlraum36 , durch den die Reagenzienflüssigkeit23 vom ersten Mikrokanal16 in den zweiten Mikrokanal18 fließt. - Die Abschnitte C und D der
1 zeigen nun den Zustand des Ausschnitts des Mikrosystems10 nach Aufbrechen der Steg-Fügefläche31 . Die Folie13 ist in Richtung des Pfeils37 in das Reservoir15 hinein gedrückt worden. Die Steg-Fügefläche31 ist in der Mitte40 aufgebrochen mit verbliebenen Resten41 . Die Reagenzienflüssigkeit23 füllt nun nur noch einen Reservoirteil38 des Reservoirs15 , füllt aber den ersten Mikrokanal16 , den Hohlraum36 und den zweiten Mikrokanal18 aus. - In dieser Ausführungsform weist die aufbrechbare Steg-Fügefläche
31 die Form einer Pfeilspitze in Richtung des ersten Mikrokanals16 auf. Dies fördert das definierte Aufbrechen der aufbrechbaren Steg-Fügefläche31 in ihrer Funktion als Sollbruchstelle. - In dieser Ausführungsform weist das Substrat
20 eine an die Folienabschnitte24 und26 grenzende fluidische Substrat-Lage12 mit einer fluidischen Struktur und eine den Folienabschnitten24 und26 gegenüberliegende Basis-Substrat-Lage11 als Deckel-Lage auf. Damit kann die gesamte Dicke der fluidischen Substrat-Lage12 für Hohlräume wie das Reservoir15 und den ersten Mikrokanal16 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 Folienabschnitt24 ,26 weist vorzugsweise ein elastisches Polymer, z.B. ein Polyurethan, auf. Das Substrat20 weist vorzugsweise ein thermoplastisches Polymer, z.B. Polycarbonat, auf. Vorteilhafte Volumina der Vertiefung, des Reservoirs15 , 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 Folie13 und Aufbrechen der Versiegelung der verbundenen Hohlräume mit Reagenzienflüssigkeit23 kann einmal oder wiederholt eine definierte Menge der Reagenzienflüssigkeit23 in den zweiten Mikrokanal18 und damit an beliebige Orte im fluidischen System gefördert werden. -
2 zeigt einem Ausschnitt eines Mikrosystems50 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 aus1 weist das Mikrosystem50 eine einzige Lage des Substrats51 auf. Das Substrat51 weist ein Reservoir52 , einen mit dem Reservoir52 verbundenen ersten Mikrokanal53 , und einen von dem ersten Mikrokanal53 durch einen Steg54 getrennten zweiten Mikrokanal55 auf. Sämtliche Hohlräume des fluidischen Netzwerks grenzen nicht an die Unterseite56 des Substrats51 , sondern an die Oberseite57 , an welche eine Folie58 grenzt. - Daher verläuft von dem Reservoir
52 der erste Mikrokanal53 zum Steg54 an der Oberseite57 des Substrats51 . Das Reservoir52 und der damit verbundene erste Mikrokanal53 sind mit der Reagenzienflüssigkeit59 gefüllt. Sie bilden den verbundenen Hohlraum60 an der Oberseite57 . Die elastische Folie58 verschließt das Reservoir und überdeckt den Steg54 und Enden67 ,68 des ersten und zweiten Mikrokanals53 ,55 . Die elastische Folie58 weist um das Reservoir52 eine dauerhafte Fügefläche65 mit dem Substrat51 und an dem Steg54 eine aufbrechbare Steg-Fügefläche66 mit dem Substrat auf, welche sich an beiden Enden67 ,68 des Stegs54 an die dauerhafte Fügefläche65 anschließt. Die dauerhafte Fügefläche65 und die aufbrechbare Steg-Fügefläche66 bilden eine Fügung mit dem Substrat51 um das Reservoir52 , die das Reservoir52 verschließt. In dieser Ausführungsform, in der das Reservoir52 und die Verbindung zum Entleerungskanal55 auf einer Fläche des Substrats51 angeordnet sind, kann vorteilhaft eine Stößelaktuierung zur Entleerung des Reservoirs52 vorgesehen werden. - Die Abschnitte C und D der
2 zeigen nun den Zustand des Ausschnitts des Mikrosystems50 nach Aufbrechen der Steg-Fügefläche66 . Die Folie58 ist in das Reservoir52 hinein gedrückt worden. Die Steg-Fügefläche66 ist in der Mitte70 aufgebrochen mit verbliebenen Resten71 . Die Reagenzienflüssigkeit59 füllt nun nur noch einen Reservoirteil72 des Reservoirs52 , füllt aber den ersten Mikrokanal53 , den Hohlraum73 und den zweiten Mikrokanal55 aus. -
3 zeigt ein Mikrosystem80 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit aufgebrochener Steg-Fügefläche. Das Mikrosystem80 weist wie das Mikrosystem10 aus1 eine Basis-Substrat-Lage81 , eine auf der Basis-Substrat-Lage81 liegenden fluidischen Substrat-Lage82 und eine auf der fluidischen Substrat-Lage82 liegenden elastischen Folie83 auf. Die Basis-Substrat-Lage.81 und die fluidische Substrat-Lage82 bilden das Substrat84 . - Der dargestellte Ausschnitt weist wieder ein Reservoir
85 , einen mit dem Reservoir85 verbundenen ersten Mikrokanal86 , und einen von dem ersten Mikrokanal86 durch einen Steg87 getrennten zweiten Mikrokanal88 auf. An den zweiten Mikrokanal88 schließen sich außerhalb des gezeigten Ausschnitts weitere Komponenten eines fluidischen Netzwerks an. Die Folie83 weist eine dauerhafte Fügefläche89 mit dem Substrat84 auf und weist eine aufbrechbare, hier aufgebrochen gezeigte, Steg-Fügefläche mit dem Substrat84 auf, welche sich an beiden Enden des Stegs87 an die dauerhafte Fügefläche89 anschließt. - Im Unterschied zum Mikrosystem
10 aus1 weist Mikrosystem80 eine an die Folie83 angrenzende Schutz-Lage92 gegenüber dem Substrat84 mit einer Ausnehmung93 im Bereich der aufbrechbaren Fügefläche an dem Steg87 und einer Ausnehmung94 im Bereich des Reservoirs85 auf. Die Schutzlage92 sichert einerseits die Folie83 gegen Beschädigung und bietet einen Schutz gegen austretende Reagenzienflüssigkeit95 , falls die Folie83 um Bereich des Reservoirs85 oder an dem Steg87 reißt. Die Ausnehmung94 lässt nur lokal eine Auslenkung der Membran bzw. Folie83 zu. Das Auslenken der elastischen Membran bzw. Folie83 führt dann zur Zerstörung der vollständigen Fügung in diesem Bereich und zur Ausbildung einer fluiden Verbindung vom ersten Mikrokanal86 zum zweiten Mikrokanal88 . - Anhand des Abschnitts C der
3 ist vergrößert dargestellt, wie die Steg-Fügefläche der Folie83 am Steg87 aufgebrochen ist. Über dem Steg87 und den Enden des ersten und zweiten Mikrokanals86 ,88 bildet sich ein Hohlraum, durch den Reagenzienflüssigkeit95 vom ersten Mikrokanal86 in den zweiten Mikrokanal88 fließt. - Ein Mikrosystem
10 ,50 ,80 bildet einen Prozessierchip mit Reagenzienvorlage. -
4 zeigt ein Flussdiagramm100 des Herstellungsverfahrens für ein Mikrosystem10 ,50 ,80 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Herstellungsverfahren geht aus von einem Mikrosystem10 ,50 ,80 für fluidische Anwendungen mit einem Substrat20 ,51 ,84 , welches ein Reservoir15 ,52 ,85 , einen mit dem Reservoir15 ,52 ,85 verbundenen ersten Mikrokanal16 ,53 ,86 , und einen von dem ersten Mikrokanal16 ,53 ,86 durch einen Steg getrennten zweiten Mikrokanal18 ,55 ,88 aufweist. Es beginnt mit dem Verfahrensschritta ) Befüllen des Reservoirs15 ,52 ,85 mit einer Reagenzienflüssigkeit. Es folgt der Verfahrensschrittb ) Anordnen auf dem Substrat20 ,51 ,84 und formschlüssiges Fügen der Folie13 ,64 ,58 ,83 mit dem Substrat20 ,51 ,84 , wobei die Folie13 ,64 ,58 ,83 um das Reservoir15 ,52 ,85 eine Fügung mit dem Substrat20 ,51 ,84 bildet, die eine den ersten und zweiten Mikrokanal16 ,53 ,86 ;18 ,55 ,88 trennende, an dem Steg aufbrechbare Fügefläche mit dem Substrat20 ,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 Reservoir15 ,52 ,85 füllt. - Die Membran bzw. Folie
13 ,58 ,64 ,83 wird über dem Substrat20 ,51 ,84 angeordnet und formschlüssig verschweißt, wodurch die Reagenzienflüssigkeit in dem Reservoirs15 ,52 ,85 eingeschlossen wird. Das Fügen erfolgt lokal, vorzugsweise mittels Laserschweißen, Ultraschallschweißen, Mikrowellenschweißen oder Kleben entlang der Kontur des Reservoirs15 ,52 ,85 . Hierbei wird die aufbrechbare Fügefläche als Sollbruchstelle der Membran bzw. Folie13 ,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 bis3 sind beide Möglichkeiten angewendet worden, nämlich einerseits eine schmale Schweißnaht der Folie13 ,64 ,58 ,83 auf dem Steg, bei einer flächenhaften Verschweißung der Folie13 ,64 ,58 ,83 mit der Substratoberfläche und andererseits eine Schweißnaht der Folie13 ,64 ,58 ,83 auf dem Steg in Form einer Pfeilspitze, die mechanische Spannungen an der Spitze konzentriert. -
5 zeigt ein Flussdiagramm110 des Benutzungsverfahrens für ein Mikrosystem10 ,50 ,80 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Benutzungsverfahren geht aus von einem Mikrosystem10 ,50 ,80 für fluidische Anwendungen mit einem Substrat, welches ein mit einer Reagenzienflüssigkeit gefülltes Reservoir15 ,52 ,85 , einen mit dem Reservoir15 ,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 Verfahrensschritta ) Auslenken des der Folie13 ,64 ,58 ,83 in das Reservoir15 ,52 ,85 und Verdrängen von Reagenzienflüssigkeit aus dem Reservoir15 ,52 ,85 . Es folgt der Verfahrensschrittb ) Aufbrechen der aufbrechbaren fluidische Barriere. Nun folgt der Verfahrensschrittc ) Fördern von Reagenzienflüssigkeit aus dem Reservoir15 ,52 ,85 durch den ersten Mikrokanal16 ,53 ,86 , entlang der aufgebrochenen fluidischen Barriere in den zweiten Mikrokanal18 ,55 ,88 . - Das Mikrosystem
10 ,50 ,80 weist vorzugsweise einen elastischen Folienabschnitt auf, welcher Enden des ersten und zweiten Mikrokanals16 ,53 ,86 ;18 ,55 ,88 und einen Steg dazwischen überdeckt, wobei die Folie13 ,64 ,58 ,83 um das Reservoir eine Fügung mit dem Substrat bildet, die eine den ersten und zweiten Mikrokanal16 ,53 ,86 ;18 ,55 ,88 trennende, an dem Steg aufbrechbare Fügefläche als fluidische Barriere mit dem Substrat aufweist. Das Auslenken der Folie13 ,64 ,58 ,83 in das Reservoir15 ,52 ,85 erfolgt vorteilhaft mittels eines Steuergeräts.
Claims (11)
- 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, wobei 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 und 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, und wobei die Schutz-Lage (92) eine Ausnehmung (94) im Bereich des Reservoirs (85) aufweist.
- 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 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, wobei 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 und 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, und wobei die Schutz-Lage (92) eine Ausnehmung (94) im Bereich des Reservoirs (85) aufweist.
- Herstellungsverfahren nach
Anspruch 8 , 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), wobei 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, und wobei 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 und 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, und wobei die Schutz-Lage (92) eine Ausnehmung (94) im Bereich des Reservoirs (85) aufweist.
- Benutzungsverfahren nach
Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet, dass das Auslenken der Folie (13, 58, 83) in das Reservoir (15, 52, 85) mittels eines Steuergeräts oder von Hand erfolgt.
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