DE102011078770B4

DE102011078770B4 - Mikrofluidische Vorrichtung, mikrofluidisches System und Verfahren zum Transport von Fluiden

Info

Publication number: DE102011078770B4
Application number: DE102011078770.4A
Authority: DE
Inventors: Jochen Rupp; Christian Dorrer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2016-04-28
Anticipated expiration: 2031-07-08
Also published as: US9188244B2; FR2977577B1; DE102011078770A1; FR2977577A1; US20130008511A1; CN102862944A; CN102862944B

Abstract

Mikrofluidische Vorrichtung (M), umfassend einen ersten Zuführkanal (1) und einen ersten Abführkanal (2), welche über ein erstes Ventil (6) miteinander fluidisch verbunden sind, einen zweiten Zuführkanal (3) und einen zweiten Abführkanal (4), welche über ein zweites Ventil (7) miteinander fluidisch verbunden sind, und wobei zumindest einer der ersten Kanäle (1, 2) über eine kreuzförmige Kanalanordnung, welche von den ersten und zweiten Kanälen (1, 2, 3, 4) gebildet wird, und welche als ein drittes Ventil (8) ausgebildet ist, mit zumindest einem der zweiten Kanäle (3, 4) fluidisch verbindbar ist, und eine Steuereinrichtung (S) zum Steuern der Ventile (6, 7, 8), wobei die Steuereinrichtung (S) derart ausgebildet ist, dass ein erstes Fluid (41) in einem der ersten Kanäle (1, 2) und ein zweites Fluid (42) in einem der zweiten Kanäle (3, 4) mittels Betätigung, der Ventile (6, 7, 8) in einem der ersten oder zweiten Kanäle (1, 2, 3, 4) über eine luftblasenfreie Kontaktfläche zwischen dem ersten Fluid (41) und dem zweiten Fluid (42) im Wesentlichen durchmischungsfrei im Bereich des dritten Ventils (8) seriell oder parallel zueinander fließen.

Description

Die Erfindung betrifft eine mikrofluidische Vorrichtung, ein mikrofluidisches System, ein Verfahren zum Transport von Fluiden sowie eine Verwendung.
Stand der Technik
Mikrofluidische Vorrichtungen werden insbesondere dazu genutzt, um Flüssigkeiten zu manipulieren.
Aus der Fachveröffentlichung M. Unger et al., Science 2000, Seite 288, Absatz 113 bis 116 ist beispielsweise eine mikrofluidische Vorrichtung in Form eines mikrofluidisches Quetschventils offenbart, welches aus Polydimethyl-Siloxan hergestellt ist.
Aus der WO 2009/149986 A1 ist weiter ein mikrofluidisches Quetschventil sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt geworden. Das Quetschventil umfasst dabei drei Substrate, wobei das dritte Substrat zwischen dem ersten und zweiten Substrat angeordnet ist und aus einem elastischen Material besteht. Weiterhin grenzt das erste Substrat an das dritte Substrat an und weist auf der dem dritten Substrat angrenzenden Seite mindestens eine erste Aussparung auf. Das zweite Substrat grenzt ebenfalls an das dritte Substrat und weist eine zweite Aussparung an der an das dritte Substrat angrenzenden Seite auf. Die erste und zweite Aussparung sind dabei zumindest teilweise gegenüber angeordnet.
Aus der US 2010/0018584 A1 ist ein mikrofluidisches System bekannt geworden, umfassend einen piezoelektrischen Aktuator, mit dem Druck auf eine Wand eines fluidführenden Kanals ausübbar ist. Wird der piezoelektrische Aktuator betätigt, wird die Wand des mikrofluidischen Kanals verformt und der Fluss des Fluids kontrollierbar, bzw. beeinflussbar.
Aus der US 2005/0205816 A1 ist ein pneumatisch betätigbares mikrofluidisches Ventil für eine Benutzung in laminierten fluidischen Kunststoffstrukturen offenbart. Das mikrofluidische Ventil weist einen Zuführ- und einen Abführkanal auf, die mit einer gemeinsamen Membran verschließbar sind. Weiterhin ist die Membran in eine Aussparung auslenkbar und die Aussparung ist mittels eines weiteren Kanals mit einem Druck beaufschlagbar. Ist nun der Druck des Fluids im Zuführkanal größer als der Druck in der Aussparung, so wird die Membran in die Aussparung ausgelenkt und Flüssigkeit kann von dem Zuführkanal in den Abführkanal fließen. Wird der Druck in der Aussparung derart erhöht, sodass dieser den Druck des Fluids in dem Zuführkanal übersteigt, verschließt die Membran den Zuführkanal und den Abführkanal und keine weitere Flüssigkeit kann von dem Zuführkanal in den Abführkanal fließen.
Die WO 2008/115626 A2 offenbart die Integration von programmierbaren mikrofluidischen Schaltungen, um praktische Anwendungen zum Verarbeiten von biochemischen und chemischen Reaktionen zu erreichen, und um diese Reaktionen zu integrieren.
Die US 2009/0142845 A1 offenbart ein Verfahren zur Durchführung einer chemischen Reaktion in einem Durchflussreaktor, umfassend die Schritte des Pumpens von zumindest einem flüssigen Reaktionspfropfens, welcher an beiden Enden durch Beabstandungspfropfen entlang eines Reaktionskanal des Reaktors gebunden ist, und die Durchführung der chemischen Reaktion in dem Reaktionspfropfen im Inneren des Reaktionskanals, wobei der flüssige Reaktionspfropfen eine oder mehrere Reagenzien umfasst, welche in einem Reaktionslösungsmittel dispergiert sind, wobei die flüssigen Beabstandungspfropfen in dem Reaktionslösungsmittel nicht mischbar ist, und die Reagenzien im Wesentlichen unlöslich in dem Beabstandungspfropfen sind.
Schließlich ist aus der US 2009/0166203 A1 ein Mikrochip zur kapillaren Elektrophorese bekannt geworden. Der Mikrochip umfasst dabei einen Zuführkanal und einen Separationskanal, welche dazu ausgebildet sind, eine Probe, bereitgestellt durch einen Probenquelle, aufzunehmen. Die Probenquelle ist an einem Ende des Separationskanals angeordnet. Der Zuführkanal und der Separationskanal bilden dabei eine T-Kreuzung. Der Mikrochip umfasst weiter ein erstes Ventil, welches benachbart zu der T-Kreuzung angeordnet ist und einen Separationskanal und ein zweites Ventil, welches an der T-Kreuzung angeordnet ist. Das zweite Ventil ist dabei ein Zweiwege-Ventil. Ist das zweite Ventil in einer vertikalen Richtung geschlossen, sind das erste Ende und das zweite Ende des Separationskanals nicht in direkter fluidischer Verbindung. Ist das zweite Ventil in horizontaler Richtung geschlossen, besteht keine fluidische Verbindung zwischen dem ersten Ende/zweiten Ende des Separationskanals und dem Zuführkanal. Zwischen dem ersten Ende des Zuführkanals und dem ersten Ende des Separationskanals besteht jedoch eine fluidische Verbindung. Analog besteht zwischen dem ersten Ende des Zuführkanals und dem zweiten Ende des Separationskanals ebenfalls eine fluidische Verbindung.
Offenbarung der Erfindung
In Anspruch 1 ist eine mikrofluidische Vorrichtung definiert, umfassend einen ersten Zuführkanal und einen ersten Abführkanal, welche über ein erstes Ventil miteinander fluidisch verbindbar sind, einen zweiten Zuführkanal und einen zweiten Abführkanal, welches über ein zweites Ventil miteinander fluidisch verbindbar sind, und wobei zumindest eine der ersten Kanäle über ein T-Ventil mit zumindest einem der zweiten Kanäle fluidisch verbindbar ist und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Ventile, wobei die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, sodass ein erstes Fluid von einem der ersten Kanäle und ein zweites Fluid in einem der zweiten Kanäle mittels Betätigung der Ventile in einem der ersten oder zweiten Kanäle parallel laminierbar sind.
In Anspruch 10 ist ein mikrofluidisches System definiert umfassend eine mikrofluidische Vorrichtung gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9 und eine Hybridisierungseinrichtung.
In Anspruch 13 ist ein Verfahren zum Transport von Fluiden, insbesondere geeignet zur Durchführung mit einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder mit einem mikrofluidischen System gemäß zumindest einem der Ansprüche 10 bis 12 definiert, umfassend die Schritte: Schließen eines T-Ventils zwischen einem ersten Zuführ- oder Abführkanal und einem zweiten Zuführ- oder Abführkanal, Öffnen eines ersten Ventils zwischen dem ersten Zuführkanal und dem ersten Abführkanal und Öffnen eines zweiten Ventils zwischen dem zweiten Zuführkanal und dem zweiten Abführkanal, wobei das erste Ventil oder das zweite Ventil stromabwärts des T-Ventils angeordnet ist, Beaufschlagen der ersten Kanäle mit einem ersten Fluid und der zweiten Kanäle mit einem zweiten Fluid, Schließen des ersten und zweiten Ventils, Öffnen des T-Ventils, weiteres Beaufschlagen eines der Zuführkanäle mit dem jeweiligen ersten oder zweiten Fluid, wobei der mit Fluid beaufschlagte Zuführkanal derjenige Zuführkanal ist, bei dem das T-Ventil stromaufwärts des jeweiligen ersten oder zweiten Ventils angeordnet ist, paralleles Laminieren und Abführen der beiden Fluide durch den ersten oder zweiten Abführkanal.
In Anspruch 14 ist eine Verwendung eines T-Ventils einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9 als Pumpe definiert.
Unter den Bezeichnungen Zuführkanal und Abführkanal sind in der Beschreibung, insbesondere Ansprüchen, sowohl jeweils ein separater Kanal zu verstehen als auch verschiedene Abschnitte eines einzelnen Kanals. Dabei kann sowohl der Zuführkanal als auch der Abführkanal sowohl zum Zuführen als auch zum Abführen eines Fluids geeignet ausgebildet sein.
Vorteile der Erfindung
Einer der Vorteile der Erfindung ist, dass damit eine mikrofluidische Vorrichtung in Form einer steuerbaren, mikrofluidischen T-Kreuzung zur Verfügung gestellt werden kann, welche ein möglichst geringes Fluidvolumen benötigt. Ein weiterer Vorteil ist, dass damit insgesamt weniger Menge an Fluid benötigt wird, um beispielsweise eine Analyse eines ersten Fluids mit einem zweiten Fluid in einem mikrofluidischen System vorzunehmen. Darüber hinaus wird ein Einschließen oder Auftreten von Luftblasen im mikrofluidischen System beim Beaufschlagen des mikrofluidischen Systems mit Fluiden weitestgehend vermieden. Schließlich ist eine Beaufschlagung der mikrofluidischen Vorrichtung und des mikrofluidisches System mit Fluiden auf eine einfache und zuverlässige Weise möglich; gleichzeitig wird die Anzahl von Zuführ- und Abführkanälen sowie von zusätzlichen Ventile möglichst gering gehalten.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zumindest eines der Ventile pneumatisch betätigbar ausgebildet. Der damit erzielte Vorteil ist, dass damit auf einfache und zuverlässige Weise eine Steuerung der Ventile ermöglicht wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist im Bereich des T-Ventils zumindest einer der ersten und zweiten Kanäle zumindest eine Biegung, insbesondere zwischen 60° und 130°, vorzugsweise zwischen 75° und 115°, besonders zweckmäßigerweise zwischen 85° und 95° auf. Auf diese Weise wird eine besonders strömungsgünstige Anordnung der Zuführ- und Abführkanäle erreicht, sodass eine parallele Laminierung der zwei Fluide noch zuverlässiger ermöglicht wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das erste Ventil in dem ersten Zuführkanal und das zweite Ventil in dem zweiten Abführkanal oder das erste Ventil in dem ersten Abführkanal und das zweite Ventil in dem zweiten Zuführkanal angeordnet. Auf diese Weise wird eine hohe Flexibilität der mikrofluidischen Vorrichtung erreicht, da die beiden Ventile entsprechend gewünschten Anforderungen angeordnet werden können und gleichzeitig die Anzahl der Ventile und Kanäle auf ein Minimum beschränkt bleibt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die ersten und zweiten Kanäle im Bereich des T-Ventils durch einen Steg fluidisch getrennt angeordnet.
Auf diese Weise wird eine einfache und gleichzeitig zuverlässige Trennung der ersten und zweiten Kanäle erreicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Steg eine Breite und/oder Höhe zwischen 50 und 500 μm, insbesondere zwischen 100 und 300 μm, vorzugsweise zwischen 150 und 250 μm, zweckmäßigerweise im Wesentlichen 200 μm auf. Dabei wird neben einem möglichst kleinen Bauraum auch eine äußerst zuverlässige fluidische Trennung der ersten und zweiten Kanäle erreicht.
Gemäß einer weiteren vorteilen Weiterbildung der Erfindung weisen die ersten und/oder zweiten Kanäle eine Breite zwischen 50 und 1000 μm, insbesondere zwischen 200 und 600 μm, vorzugsweise zwischen 450 und 550 μm, zweckmäßigerweise im Wesentlichen 400 μm auf. Der damit erzielte Vorteil ist, dass damit der Bauraum einerseits möglichst gering ist, gleichzeitig jedoch noch ein ausreichender Fluidfluss in den ersten und zweiten Kanälen ermöglicht wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen die ersten und/oder zweiten Kanäle eine Tiefe von weniger als 75% der Breite, insbesondere weniger als 66,7% der Breite, vorzugsweise weniger als 60% der Breite, insbesondere im Wesentlichen 50% der Breite aufweisen. Der damit erzielte Vorteil ist, dass damit der Bauraum einerseits möglichst gering ist, gleichzeitig jedoch noch ein ausreichender Fluidfluss in den ersten und zweiten Kanälen ermöglicht wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zumindest eines der Ventile als Quetschventil ausgebildet. Das zumindest eine Ventil ist damit äußerst kostengünstig herstellbar und einfach betätigbar.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des mikrofluidischen Systems gemäß Anspruch 10 ist das T-Ventil als Pumpe ausgebildet. Auf diese Weise kann beispielsweise das T-Ventil sowohl eine Vermischung von Flüssigkeiten als auch ein Pumpen von Fluiden mittels des T-Ventils ermöglichen, was Kanäle mit weiteren Ventilen einspart und damit die Herstellungskosten des mikrofluidischen Systems senkt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des mikrofluidischen Systems sind zumindest zwei Kunststofflagen und eine dazwischen angeordnete elastische Folie angeordnet und zumindest die Kanäle der mikrofluidischen Vorrichtung sind in den zumindest zwei Kunststofflagen ausgebildet. Auf diese Weise kann das mikrofluidische System äußerst kostengünstig und kompakt hergestellt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Dabei zeigt insbesondere in schematischer Form
1a eine mikrofluidische Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
1b eine mikrofluidische Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2a–2c zeigen Detaildarstellungen der Ausführungsform der 1a, 1b;
3a, 3b zeigt eine Draufsicht bzw. einen Querschnitt eines Ventils der mikrofluidischen Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
3c, 3d zeigt eine Draufsicht bzw. einen Querschnitt eines Ventils der mikrofluidischen Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
4 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines mikrofluidischen Systems einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
1a zeigt eine mikrofluidische Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1a ist eine mikrofluidische Vorrichtung M gezeigt. Die mikrofluidische Vorrichtung M umfasst dabei einen ersten Zuführkanal 1, der über ein erstes Ventil 6 mit einem ersten Abführkanal 2 fluidisch verbindbar ist. Das erste Ventil 6 ist über eine erste pneumatische Zuleitung 5' pneumatisch betätigbar. Weiterhin umfasst die mikrofluidische Vorrichtung M gemäß 1a einen zweiten Zuführkanal 3, der über ein zweites Ventil 7 mit einem zweiten Abführkanal 4 fluidisch verbindbar ist. Auch das zweite Ventil 7 ist über eine zweite pneumatische Zuleitung 5'' pneumatisch betätigbar. In 1a weist der erste Zuführkanal 1 eine erste Biegung 12a von im Wesentlichen 90° auf. Ebenfalls weist der zweite Abführkanal 4 eine zweite Biegung 12b von im Wesentlichen 90° auf. Insgesamt sind der erste Zuführkanal 1 und der zweite Abführkanal 4 in der Draufsicht gemäß 1 kreuzförmig angeordnet, wobei ein T-Ventil 8 im Bereich des Mittelpunktes des ”Kreuzes” angeordnet ist.
Der erste Zuführkanal 1 und der zweite Zuführkanal 4 sind über einen Steg 11 des T-Ventils 8 getrennt. Auch das T-Ventil 8 ist über eine dritte pneumatische Zuleitung 5'' pneumatisch betätigbar. Um ein erstes Fluid 41 in den ersten Kanälen 1, 2 und ein zweites Fluid 42 in den zweiten Kanälen 3, 4 ohne einen Einschluss von dazwischen liegenden Luftblasen parallel zu laminieren, werden zunächst gleichzeitig oder alternativ nacheinander der jeweilige erste oder zweite Zuführkanal 1, 3 mit einem ersten Fluid 41 respektive einem zweiten Fluid 42 beaufschlagt. Das erste Ventil 6 und das zweite Ventil 7 sind dabei geöffnet, und das T-Ventil 8 geschlossen, indem das T-Ventil 8 mittels der entsprechenden pneumatischen Zuleitung 5 mit Druck beaufschlagt wird.
Im Bereich des T-Ventils 8 sind die beiden fluidführenden ersten und zweiten Kanäle 1, 2, 3, 4 durch einen Steg 11 des T-Ventils 8, getrennt, d. h. die beiden Fluide 41, 42 in den jeweiligen ersten und zweiten Kanälen 1, 2, 3, 4 haben sich bisher nicht vermischt. Ebenso befinden sich keine Luftblasen in den ersten und zweiten Kanälen 1, 2, 3, 4. Anschließend werden nun das erste Ventil 6 und das zweite Ventil 7 über die erste pneumatische Zuleitung 5' und die zweite pneumatische Zuleitung 5'' mit Druck beaufschlagt und dadurch geschlossen. Das T-Ventil 8 wird über die dritte pneumatische Zuleitung 5''' vom Druck entlastet, somit geöffnet. Durch den ersten Zuführkanal 1 wird das erste Fluid 41 mit Druck beaufschlagt und somit mit dem zweiten Fluid 42 über das T-Ventil 8 in Kontakt gebracht, ohne dass sich Luftblasen zwischen den beiden ersten und zweiten Fluiden 41, 42 befinden oder bilden können. Beide erste und zweite Fluide 41, 42 können dann über den zweiten Abführkanal 4 zur weiteren Verarbeitung, beispielsweise zur Analyse in einer Analysevorrichtung abgeführt werden. Dadurch kann erreicht werden, dass das erste Fluid 41 und das zweite Fluid 42 parallel zueinander ausgerichtet sind und dennoch voneinander getrennt bleiben. Bei dieser Vorgehensweise werden das erste Fluid 41 und das zweite Fluid 42 sozusagen aufeinander laminiert. Das erste Fluid 41 und das zweite Fluid 42 legen sich also glatt aneinander an, ohne dass es zu Verwirbelungen, zur Bildung von Luftblasen oder zu einer wesentlichen Vermischung des ersten Fluids 41 und des zweiten Fluids 42 kommt. Das Abführen über den zweiten Abführkanal erfolgt derart, dass das erste Fluid 41 und das zweite Fluid 42 über die luftblasenfreie Kontaktfläche zwischen dem ersten Fluid 41 und dem zweiten Fluid 42 im Wesentlichen durchmischungsfrei und parallel zueinander fließen, das heißt, dass das erste Fluid 41 und das zweite Fluid 42 parallel laminiert sind.
Alternativ kann das zweite Ventil 7 geöffnet bleiben und durch den zweiten Zuführkanal 3 das zweite Fluid 42 in Richtung des T-Ventils 8 nachgeschoben werden. Die ersten und zweiten Fluide 41, 42 werden dadurch im Bereich des T-Ventils 8 parallel laminiert, wie vorstehend beschrieben und können über den zweiten Abführkanal 4 zur weiteren Verarbeitung abgeführt werden.
Dabei ist es möglich, dass eine Beaufschlagung bei den zum jeweiligen T-Ventil 8 benachbarten Kanälen 1 bzw. 4 mit jeweiligem ersten oder zweiten Fluid 41, 42 auch umgekehrt durch den ersten Abführkanal 2 oder durch den zweiten Abführkanal 4 erfolgen kann. Dementsprechend können dann nach der parallelen Laminierung der beiden ersten und zweiten Fluide 41, 42 durch den jeweiligen anderen Kanal 2, 3 die parallel laminierten Fluide 41, 42 zur weiteren Verarbeitung abgeführt werden.
In 1b ist im Wesentlichen eine mikrofluidische Vorrichtung gemäß 1a gezeigt. Im Unterschied zur 1a ist nun das zweite Ventil 6 stromabwärts des T-Ventils 8 angeordnet. Eine Beaufschlagung des T-Ventils 8, bzw. der entsprechend benachbarten ersten und zweiten Kanäle 2, 4 erfolgt wiederum durch Öffnen des ersten Ventils 6 und des zweiten Ventils 7. Um die beiden ersten und zweiten Fluide 41, 42 parallel zu laminieren, werden wiederum das erste Ventil 6 und das zweite Ventil 7 geschlossen und das T-Ventil 8 geöffnet. Das zweite Fluid 42 wird dann durch den zweiten Abführkanal 4 in Richtung auf das T-Ventil 8 nachgeschoben und tritt im Bereich des T-Ventils 8 mit dem ersten Fluid 41 in Kontakt. Die ersten und zweiten Fluide 41, 42 können dann über den ersten Abführkanal 2 zur weiteren Verarbeitung abgeführt werden. Alternativ kann das erste Ventil 6 geöffnet bleiben, sodass dann das erste Fluid 41 durch den ersten Zuführkanal 1 und das zweite Fluid 42 durch den zweiten Abführkanal 4 nachgeschoben wird. Die ersten und zweiten Fluide 41, 42 werden dann im Bereich des T-Ventils 8 parallel laminiert und können dann durch den ersten Abführkanal 2 zur weiteren Verarbeitung abgeführt werden.
2 zeigen Detaildarstellungen der Ausführungsform der 1a, 1b.
In 2a ist im Wesentlichen eine Draufsicht auf eine Anordnung eines ersten Zuführkanals 1 und eines zweiten Abführkanals 4 gezeigt. Der erste Zuführkanal 1 ist dabei im Wesentlichen im rechten Winkel zu dem zweiten Abführkanal 4 angeordnet und über das T-Ventil 8 mit einem Steg 11 mit einer Breite 10 beabstandet und fluidisch getrennt, aber durch Betätigung des T-Ventils 8 fluidisch verbindbar angeordnet. Das T-Ventil 8 ist wiederum über eine dritte pneumatische Zuleitung 5''' pneumatisch betätigbar. Der erste Zuführkanal 1 weist dabei eine vorgegebene Breite 9 auf.
In 2b weist der erste Zuführkanal 1 eine zweite Biegung 12b von im Wesentlichen 90° auf. Im Bereich der zweiten Biegung 12b ist das T-Ventil 8 und eine für das T-Ventil 8 vorgesehene dritte pneumatische Zuleitung 5''' angeordnet. Der zweite Abführkanal 4 ist über einen Steg 11 von dem ersten Zuführkanal 1 getrennt angeordnet. Mittels des T-Ventil 8 kann dann ein zweites Fluid 42 in dem zweiten Abführkanal 4 von dem zweiten Abführkanal 4 in den ersten Zuführkanal 1 mit einem ersten Fluid 41 übertreten, sodass die beiden ersten und zweiten Fluide 41, 42 parallel laminiert werden.
In 2c sind im Wesentlichen Zu- und Abführkanäle gemäß 2b dargestellt. Im Unterschied zu 2b ist der erste Zuführkanal 1 von dem ersten Abführkanal 2 über ein erstes pneumatisch betätigbares Ventil 6 getrennt angeordnet.
3a–3d zeigen Draufsichten bzw. Querschnitte eines Ventils der mikrofluidischen Vorrichtung gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung.
In 3a und 3b ist ein Aufbau eines ersten Ventils 6 in der Draufsicht und im Querschnitt entlang der Schnittlinie A-A gezeigt.
In 3a ist eine Draufsicht von oben auf das erste Ventil 6 gezeigt. Zu erkennen ist ein erster Zuführkanal 1 und ein zweiter Abführkanal 4, welche über einen Steg 11 getrennt angeordnet sind. Die Kanäle 1, 4 sind in einer ersten Polymerschicht 21 ausgebildet, ebenso wie der Steg 11. Darüber ist eine Folie 22 (siehe 3b) in Form einer Membran angeordnet, die durch eine zweite Polymerschicht 23 überdeckt wird. In der zweiten Polymerschicht 23 ist eine kreisförmige Aussparung 5a mit einer pneumatischen Zuleitung 5 angeordnet. Über die pneumatische Zuleitung 5 kann die Aussparung 5a mit Druck beaufschlagt werden, sodass die Membran 22 bei entsprechend hohem Druck von einer angehobenen Position in 3b flächig auf dem Steg 11 anliegt und so die beiden Kanäle 1, 4 fluidisch voneinander trennt.
In den 3c und 3d ist eine weitere Ausführungsform eines ersten Ventils 6 in der Draufsicht und im Querschnitt entlang der Schnittlinie A-A gezeigt.
Im Unterschied zum Ventil der 3a, 3b ist in den 3c und 3d eine dritte Polymerschicht 24 angeordnet. Die zweite Polymerschicht 23 umfasst dabei vollständig eine Aussparung 5a, die mittels einer im Querschnitt kleineren pneumatischen Zuleitung 5 pneumatisch mit Druck beaufschlagt werden kann. Das Funktionsprinzip des ersten Ventils 6 gemäß der 3c und 3d entspricht dabei im Wesentlichen dem der 3a und 3b. Die Aussparung 5a in der zweiten Polymerschicht 23 ist über die pneumatische Zuleitung 5 mit Druck beaufschlagbar. Wird die Aussparung 5a mit Druck beaufschlagt, wird die Membran 22 auf den Steg 11 gedrückt, sofern der Druck des Fluids in dem ersten Zuführkanal 1 kleiner ist als der Druck in der Aussparung 5a. Die Membran 22 trennt dann fluidisch den ersten Zuführkanal 1 von dem zweiten Abführkanal 4. Wird der Druck des Fluids in dem ersten Zuführkanal 1 weiter erhöht, bis dieser größer ist als der Druck in der Aussparung 5a, wird die Membran 22 angehoben und der erste Zuführkanal 1 steht mit dem zweiten Abführkanal 4 in fluidischer Verbindung, sodass das Fluid von dem ersten Zuführkanal 1 in den zweiten Abführkanal 4 strömen kann.
4 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines mikrofluidischen Systems einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 4 ist im Wesentlichen eine isometrische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der mikrofluidischen Vorrichtung M analog zu den 1a und 1b gezeigt. In der Mitte der 4 ist ein T-Ventil 8 zu erkennen, welches einerseits mit einem ersten Abführkanal 2, welcher über ein erstes Ventil 6 mit einem ersten Zuführkanal 1 verbunden ist und andererseits mit einem zweiten Abführkanal 4, der über ein zweites Ventil 7 mit einem zweiten Zuführkanal 3 verbunden ist, verbunden ist. Die ersten, zweiten und T-Ventile 6, 7, 8 sind jeweils über erste, zweite und dritte pneumatische Zuleitungen 5', 5'', 5''' mit einem Druck beaufschlagbar. Weiterhin weisen der erste Abführkanal 2 und der zweite Abführkanal 4 im Bereich des T-Ventils 8 jeweils eine erste und eine zweite Biegung 12a, 12b von im Wesentlichen 90 Grad auf und bilden analog zur 1a ein ”Kreuz” in der Draufsicht. Um ein erstes Fluid 41 in dem ersten Zuführkanal 1 und ein zweites Fluid 42 in dem zweiten Zuführkanal 2 parallel zu laminieren, werden zunächst die ersten und zweiten Ventile 6 und 7 geöffnet und das T-Ventil 8 geschlossen. Auf diese Weise werden auch die ersten und zweiten Abführkanäle 2 und 4 mit dem jeweiligen ersten bzw. zweiten Fluid 41, 42 beaufschlagt. Anschließend werden die ersten und zweiten Ventile 6, 7 geschlossen und das T-Ventil 8 geöffnet. Wird nun weiter das zweite Fluid 42 durch den zweiten Zuführkanal 3 nachgeschoben, tritt das zweite Fluid 42 über das T-Ventil 8 in den ersten Abführkanal 2 über und kommt mit dem ersten Fluid 41 in Kontakt. Die ersten und zweiten Fluide 41, 42 verlassen dann parallel laminiert, das heißt, parallel zueinander ausgerichtet, mit einer im Wesentlichen durchmischungsfreien Kontaktfläche und unter gleicher Strömungsgeschwindigkeit, und im Wesentlichen ohne Luftblasen oder Lufteinschlüsse über den ersten Abführkanal 2 die mikrofluidische Vorrichtung M. Alternativ kann in umgekehrter Weise das erste Ventil 6 geöffnet bleiben, wobei dann das erste Fluid 41 durch den ersten Zuführkanal 1 und das zweite Fluid 42 durch den zweiten Abführkanal 4 nachgeschoben wird. Die ersten und zweiten Fluide 41, 42 werden dann im Bereich des T-Ventils 8 parallel laminiert und verlassen die mikrofluidische Vorrichtung M durch den ersten Abführkanal 2.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
So ist es beispielsweise möglich, die Ventile zu ersetzen, in der Art, dass lediglich der jeweilige Kanal in einer Richtung durchströmt werden kann, um ein Rückströmen zu vermeiden. Weiterhin ist es möglich, die Betätigung der Ventile nicht nur pneumatisch sondern alternativ auch elektrisch, beispielsweise mittels Piezoelementen, insbesondere piezoelektrischen Elementen vorzunehmen.

Claims

Mikrofluidische Vorrichtung (M), umfassend einen ersten Zuführkanal (1) und einen ersten Abführkanal (2), welche über ein erstes Ventil (6) miteinander fluidisch verbunden sind, einen zweiten Zuführkanal (3) und einen zweiten Abführkanal (4), welche über ein zweites Ventil (7) miteinander fluidisch verbunden sind, und wobei zumindest einer der ersten Kanäle (1, 2) über eine kreuzförmige Kanalanordnung, welche von den ersten und zweiten Kanälen (1, 2, 3, 4) gebildet wird, und welche als ein drittes Ventil (8) ausgebildet ist, mit zumindest einem der zweiten Kanäle (3, 4) fluidisch verbindbar ist, und eine Steuereinrichtung (S) zum Steuern der Ventile (6, 7, 8), wobei die Steuereinrichtung (S) derart ausgebildet ist, dass ein erstes Fluid (41) in einem der ersten Kanäle (1, 2) und ein zweites Fluid (42) in einem der zweiten Kanäle (3, 4) mittels Betätigung, der Ventile (6, 7, 8) in einem der ersten oder zweiten Kanäle (1, 2, 3, 4) über eine luftblasenfreie Kontaktfläche zwischen dem ersten Fluid (41) und dem zweiten Fluid (42) im Wesentlichen durchmischungsfrei im Bereich des dritten Ventils (8) seriell oder parallel zueinander fließen.
Mikrofluidische Vorrichtung (M) gemäß Anspruch 1, wobei zumindest eines der Ventile (6, 7, 8) pneumatisch betätigbar ausgebildet ist.
Mikrofluidische Vorrichtung (M) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 und 2, wobei im Bereich des dritten Ventils (8) zumindest einer der ersten und zweiten Kanäle (1, 2, 3, 4) eine Biegung (12a, 12b), insbesondere zwischen 60 Grad und 130 Grad, vorzugsweise zwischen 75 Grad und 115 Grad, besonders zweckmäßigerweise zwischen 85 Grad und 95 Grad aufweist.
Mikrofluidische Vorrichtung (M) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Ventil (6) in dem ersten Zuführkanal (1) und das zweite Ventil (7) in dem zweiten Abführkanal (4) oder das erste Ventil (6) in dem ersten Abführkanal (2) und das zweite Ventil (7) in dem zweiten Zuführkanal (3) angeordnet ist.
Mikrofluidische Vorrichtung (M) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die ersten und zweiten Kanäle (1, 2, 3, 4) im Bereich des dritten Ventils (8) durch einen Steg (11) fluidisch getrennt angeordnet sind.
Mikrofluidische Vorrichtung (M) gemäß Anspruch 5, wobei der Steg (11) eine Breite (10a) und/oder Höhe (10b) zwischen 50 und 500 Mikrometer, insbesondere zwischen 100 und 300 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 150 und 250 Mikrometer, zweckmäßigerweise im Wesentlichen 200 Mikrometer, aufweist.
Mikrofluidische Vorrichtung (M) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die ersten und/oder zweiten Kanäle (1, 2, 3, 4) eine Breite (9a) zwischen 50 und 1000 Mikrometer, insbesondere zwischen 200 und 600 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 450 und 550 Mikrometer, zweckmäßigerweise im Wesentlichen 400 Mikrometer aufweisen.
Mikrofluidische Vorrichtung (M) gemäß Anspruch 7, wobei die ersten und/oder zweiten Kanäle (1, 2, 3, 4) eine Tiefe (9b) von weniger als 75% der Breite (9a), insbesondere weniger als 66,7% der Breite (9a), vorzugsweise weniger als 60% der Breite (9a), insbesondere im Wesentlichen 50% der Breite (9a) aufweisen.
Mikrofluidische Vorrichtung (M) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zumindest eines der Ventile (6, 7, 8) als Quetschventil ausgebildet ist.
Mikrofluidisches System, umfassend: eine mikrofluidische Vorrichtung (M) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–9; und eine Hybridisierungseinrichtung.
Mikrofluidisches System gemäß Anspruch 10, wobei das dritte Ventil (8) als Pumpe ausgebildet ist.
Mikrofluidisches System gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei zumindest zwei Kunststofflagen (21, 22, 23) und eine dazwischen angeordnete elastische Folie (22) angeordnet sind und wobei zumindest die Kanäle (1, 2, 3, 4) der mikrofluidischen Vorrichtung (M) in den zumindest zwei Kunststofflagen (21, 23) ausgebildet sind.
Verfahren zum Transport von Fluiden, geeignet zur Durchführung mit einer mikrofluidischen Vorrichtung (M) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder mit einem mikrofluidischen System gemäß zumindest einem der Ansprüche 10 bis 12, umfassend die Schritte: • Schließen eines T-Ventils (8) zwischen einem ersten Zuführ- (1) oder Abführkanal (2) und einem zweiten Zuführ- (3) oder Abführkanal (4), • Öffnen eines ersten Ventils (6) zwischen dem ersten Zuführkanal (1) und dem ersten Abführkanal (2) und Öffnen eines zweiten Ventils (7) zwischen dem zweiten Zuführkanal (3) und dem zweiten Abführkanal (4), wobei das erste Ventil (6) oder das zweite Ventil (7) stromabwärts des T-Ventils (8) angeordnet ist, • Beaufschlagen der ersten Kanäle (1, 2) mit einem ersten Fluid (41) und der zweiten Kanäle (3, 4) mit einem zweiten Fluid (42), • Schließen des ersten und zweiten Ventils (6, 7), • Öffnen des T-Ventils (8), • Weiteres Beaufschlagen zumindest eines der Zuführkanäle (1, 3) mit dem jeweiligen ersten oder zweiten Fluid (41, 42), wobei der mit dem ersten oder zweiten Fluid (41, 42) beaufschlagte Zuführkanal derjenige Zuführkanal ist, bei dem das T-Ventil stromaufwärts des jeweiligen ersten oder zweiten Ventils (6, 7) angeordnet ist, und • Im Wesentlichen durchmischungsfreies serielles oder paralleles zueinander fließen im Bereich des T-Ventils (8) über eine luftblasenfreie Kontaktfläche zwischen dem ersten Fluid (41) und dem zweiten Fluid (42) und Abführen der beiden ersten und zweiten Fluide (41, 42) durch den ersten oder zweiten Abführkanal (2, 4).