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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer mikrofluidischen Vorrichtung mit einer Kammer zur Lagerung einer Flüssigkeit nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Mikrofluidische Vorrichtungen kommen beispielsweise als sogenannte Lab-on-Chip-Systeme für Umweltanalytik oder medizinische Analytik zum Einsatz. In mikrofluidischen Vorrichtungen werden Flüssigkeiten gelagert und mit anderen Flüssigkeiten gemischt.
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Aus der
US 20060029808 sind superhydrophobe Oberflächen als eine Verschmutzung abweisende Beschichtung für mikrofluidische Kanäle bekannt. Eine solche Oberfläche umfasst eine Polyelektrolyt-Multischicht auf einem Substrat.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße mikrofluidische Vorrichtung mit einer Kammer zur Lagerung einer Flüssigkeit, wobei die Kammer auf einer Innenwand wenigstens teilweise eine superhydrophobe Oberfläche aufweist, ergibt gegenüber bisherigen mikrofluidischen Systemen den Vorteil, dass kleine Flüssigkeitsmengen, z. B. < 100 μl, zuverlässig gehandhabt werden können. Dies wird dadurch möglich, dass auf die Flüssigkeit an der Innenwand wirkende Oberflächenkräfte derart vermindert werden, dass auf die Flüssigkeit wirkende Volumenkräfte, beispielsweise die Gravitationskraft, die Oberflächenkräfte überwiegen.
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Eine Oberfläche wird als hydrophob bezeichnet, wenn der Kontaktwinkel zwischen einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, und der Oberfläche mindestens 90 Grad beträgt. Eine Oberfläche wird als hydrophil bezeichnet, wenn der Kontaktwinkel weniger als 90 Grad beträgt. Eine Oberfläche wird als superhydrophob bezeichnet, wenn der Kontaktwinkel mehr als 120 Grad, beispielsweise mehr als 150 Grad, beispielsweise 175 Grad beträgt, und gleichzeitig die Kontaktwinkelhysterese, definiert als die Differenz zwischen dem fortschreitenden und rückschreitenden Kontaktwinkel, weniger als 50 Grad, beispielsweise weniger als 10 Grad, beispielsweise 5 Grad beträgt.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen mikrofluidischen Vorrichtung möglich.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kammer im Betriebszustand derart positioniert ist, dass mindestens eine Einmündung eines in die Kammer mündenden Kanals in eine Richtung einer auf die Flüssigkeit wirkenden Gravitationskraft und/oder Zentrifugalkraft gerichtet ist. Dadurch sammeln sich kleine Mengen der Flüssigkeit an der Einmündung in die Kammer und können sich durch den Kanal aus der Kammer bewegen.
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Zweckmäßig ist es, wenn die Einmündung an einer trichterförmig oder halbkugelförmig ausgelegten Innenwand angeordnet ist. Damit wird ein Abrollen von einem Tropfen der Flüssigkeit zur Einmündung verbessert.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die mikrofluidische Vorrichtung eine erste und eine zweite Schicht aufweist, wobei wenigstens eine der beiden Schichten strukturiert ist, und die Schichten derart verbunden sind, dass zwischen ihnen der Kanal, der in die Kammer mündet, ausgebildet wird. Dadurch wird die Integration der Kammer in die mikrofluidische Vorrichtung vereinfacht.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Kammer eine Öffnung für einen Druckausgleich aufweist, denn somit wird die Entstehung einer Druckkraft verhindert, welche der Bewegung der Flüssigkeit in Richtung Einmündung entgegenwirkt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die superhydrophobe Oberfläche höchstens eine Kontaktwinkelhysterese von 10 Grad aufweist. Eine geringe Kontaktwinkelhysterese führt dazu, dass ein Tropfen auf der superhydrophoben Oberfläche schon bei geringen Verkippungswinkeln abrollt. Insbesondere ist eine Kombination einer geringen Kontaktwinkelhysterese und eines hohen Kontaktwinkels für die hydrophobe Oberfläche vorteilhaft, da in diesem Fall kein Tropfen der Flüssigkeit an der Innenwand der Kammer haften bleibt.
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Zweckmäßigerweise wird die superhydrophobe Eigenschaft der Oberfläche durch auf die Oberfläche aufgebrachte hydrophobe Mikropartikel, durch eine auf die Oberfläche aufgebrachte hydrophobe Polymerschicht, durch Electrospinning von hydrophoben Fasern, durch Einbringen von mikrostrukturierten hydrophobisierten Siliziumplättchen, durch einen Sol-Gel-Prozess und/oder ein Ätzen mittels Plasma umgesetzt, da diese Umsetzungen in einen Herstellungsprozess einfach integrierbar sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine Kammer einer erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung,
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung,
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3 ein zweites Beispiel einer erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung und
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4 ein drittes Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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5 ein viertes Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Kammer 1 einer erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung zur Lagerung einer Flüssigkeit gezeigt. Die Kammer 1 ist in einem Betriebszustand dargestellt, in dem eine Gravitationskraft und/oder eine Zentrifugalkraft in Richtung eines Pfeils 9 wirkt. Gemäß 1 wirkt die Gravitations- und/oder Zentrifugalkraft 9 nach unten. Die Kammer 1 ist so ausgebildet, dass die Kammer 1 eine Öffnung 4 gemäß 1 an ihrer Oberseite aufweist. Die Kammer 1 ist gemäß 1 an ihrer Unterseite 20 halbkugelförmig ausgelegt. Eine Innenwand 6 der Kammer 1 weist einen ersten Bereich 22 mit einer superhydrophoben Oberfläche 2 und einen zweiten Bereich 3 mit einer Oberfläche mit einem geringeren Kontaktwinkel als die superhydrophobe Oberfläche 2 auf. Beispielsweise ist die Oberfläche des zweiten Bereichs 3 nicht superhydrophob. Die Kammer 1 ist mit ihrer Unterseite 20, welche die halbkugelförmig ausgelegte Innenwand aufweist, in Richtung der Gravitations- und/oder Zentrifugalkraft 9 ausgerichtet. Unter einer Ausrichtung der Kammer 1 in Richtung der Gravitations- und/oder Zentrifugalkraft 9 wird eine Ausrichtung der Kammer 1 verstanden, bei der die Längsrichtung 19 der Kammer 1 und der Vektor der resultierenden Gravitations- und/oder Zentrifugalkraft 9 einen Winkel einschließt, dessen Betrag kleiner 45 Grad ist.
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In 1 ist eine erste Flüssigkeitsmenge 7 und eine zweite Flüssigkeitsmenge 8 gezeigt. Die Gravitations- und/oder Zentrifugalkraft 9 wirkt auf die beiden Flüssigkeitsmengen 7 und 8. Die Flüssigkeitsmenge 7, beispielsweise ein Tropfen mit einem Volumen von weniger als 100 μl, ist auf der Innenwand 6 des ersten Bereichs 22 mit der superhydrophoben Oberfläche 2 der Kammer 1 angeordnet. Die erste Flüssigkeitsmenge 7 ist von der halbkugelförmig ausgelegten Unterseite 20 der Kammer 1 entfernt, sodass eine Bewegung der ersten Flüssigkeitsmenge 7 in Richtung der Gravitations- und/oder Zentrifugalkraft 9 nicht durch die Innenwand 6 der Kammer 1 gestoppt wird.
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Daher bewegt sich die erste Flüssigkeit 7 aufgrund der wirkenden Gravitations- und/oder Zentrifugalkraft 9 gemäß 1 an der Innenwand 6 entlang nach unten in Richtung der halbkugelförmig ausgelegten Unterseite 20 der Kammer 1. Die Bewegungsrichtung der ersten Flüssigkeitsmenge 7 ist durch einen dünnen Pfeil 17 verdeutlicht. Da die superhydrophobe Oberfläche 2 der Kammer 1 die auf die erste Flüssigkeit 7 wirkende Oberflächenkraft mindert, wirkt die Gravitations- und/oder Zentrifugalkraft 9 in Form einer Volumenkraft auf die erste Flüssigkeitsmenge 7. Daher bleibt die erste Flüssigkeitsmenge 7 nicht an der Innenwand 6 der Kammer 1 haften. Die zweite Flüssigkeitsmenge 8 befindet im Inneren der Kammer 1 und ist in der Mitte der halbkugelförmig ausgelegten Innenwand 6 der Unterseite 20 angeordnet. Die zweite Flüssigkeitsmenge 8 zeigt den Bereich, in dem sich Flüssigkeit aufgrund der auf sie wirkenden Gravitations- und/oder Zentrifugalkraft 9 in der Kammer sammelt. In diesem Betriebszustand sammeln sich somit Flüssigkeiten aufgrund der hydrophoben Oberfläche 2 und der wirkenden Gravitationskraft und/oder Zentrifugalkraft 9 am halbkugelförmig ausgelegten Kammerboden.
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2 zeigt die erfindungsgemäße Kammer 1 in einer erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung 5. Die mikrofluidische Vorrichtung 5 weist die Kammer 1, eine erste, strukturierte Schicht 10, eine zweite Schicht 11, einen Einlasskanal 12, einen Auslasskanal 15 sowie ggf. einen Deckel (nicht dargestellt) auf. Der Einlasskanal 12 ist über einen ersten Durchbruch 13 mit dem Inneren der Kammer 1 verbunden. Der Auslasskanal 15 ist über einen zweiten Durchbruch 14 mit dem Inneren der Kammer 1 verbunden. Der Einlasskanal 12 und der Auslasskanal 15 münden beide über die beiden Durchbrüche 13, 14 in den halbkugelförmig ausgelegten Bereich der Einmündung 21 der Innenwand 6 der Kammer 1. Entsprechend 1 ist der Kammer 1 mit ihrer Längsachse 19 wieder unter Berücksichtung der Gravitationskraft und/oder Zentrifugalkraft angeordnet, welche in Richtung des Pfeils 9 wirkt. Die zweite Schicht 11 ist an der ersten Schicht 10 derart angeordnet, dass Strukturen in der ersten Schicht 10, welche für die Ausbildung des Einlasskanals 12 und des Auslasskanals 15 vorgesehen sind, an der zweiten Schicht 11 zugewandten Seite der Strukturen verschlossen werden. Dadurch wird zwischen der ersten Schicht 10 und der zweiten Schicht 11 der Einlasskanal 12 und der Auslasskanal 15 ausgebildet.
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Eine Flüssigkeit kann nun durch den Einlasskanal 12 und den ersten Durchbruch 13 in die Kammer 1 gepumpt werden. Unter einem Einfluss der Gravitations- und/oder Zentrifugalkraft 9 sammelt sich die Flüssigkeit in dem halbkugelförmig ausgelegten Bereich 21 im Inneren der Kammer 1. Der halbkugelförmig ausgelegte Bereich der Einmündung 21 der Innenwand 6 bildet den Kammerboden. Die an dem Kammerboden gesammelte Flüssigkeit kann nun durch einen Überdruck in der Kammer 1 und/oder einen Unterdruck im Auslasskanal 15 durch den zweiten Durchbruch 14 in den Auslasskanal 15 bewegt werden. Durch die superhydrophobe Oberfläche 2 der Kammer 1 ist deren vollständige Entleerung möglich und ein Verlust von einer Flüssigkeit durch einen Verbleib in der Kammer 1 wird vermieden. Ebenso wird durch die hydrophobe Oberfläche 2 der Kammer 1 erreicht, dass die Kammer 1 nach einer Entleerung trocken ist und eine Kontamination der Kammer 1 wird vermieden.
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Die Abmessungen gemäß 2 sind für den Durchmesser d der mikrofluidischen Kammer 1 beispielsweise 1 bis 20 mm, z.B. 5 mm, für die Höhe h der Kammer 1, beispielsweise 5 bis 100 mm, z.B. 10 mm, für die Höhe t der ersten Schicht 10 beispielsweise 500 μm bis 5 mm, z.B. 1 mm, und für einen Kanaldurchmesser der Kanäle 11, 15, 13, 14 beispielsweise 50 bis 2000 μm, z.B. 500 μm.
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3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung 35. Die mikrofluidische Vorrichtung 35 weist eine erste strukturierte Schicht 40, eine zweite Schicht 41, eine Kammer 31, einen Einlasskanal 42 und einen Auslasskanal 45 auf. Die erste Schicht 40 weist eine Bohrung 43 auf. Die Kammer 31 weist eine Innenwand 36 mit einem ersten Bereich 37 mit einer superhydrophoben Oberfläche 32 und einen zweiten Bereich 33 auf. Die erste Schicht 40 ist mit der zweiten Schicht 41 so verbunden, dass die beiden Kanäle 42 und 45 zwischen den beiden Schichten 40, 41 ausgebildet werden. Die mikrofluidische Kammer 31 ist über die Bohrung 43 in der ersten strukturierten Schicht 40 mit dem Einlasskanal 42 und dem Auslasskanal 45 durch eine Einmündung 48 in einem fluidischen Kontakt. Die mikrofluidische Kammer 31 ist zylinderförmig als Röhrchen ausgestaltet. Die mikrofluidische Vorrichtung 35 ist so ausgerichtet, dass eine Längsrichtung 39, die durch die Längsachse der Kammer 31 führt und deren Richtungsvektor von der Kammer 31 zur Bohrung 43 zeigt, mit dem Vektor der resultierenden Gravitations- und/oder Zentrifugalkraft 9 einen Winkel mit einem Betrag kleiner 45 Grad einschließt. Eine Flüssigkeit kann nun mittels des Einlasskanals 42 über die Bohrung 43 in die Kammer 31 gepumpt werden, wenn gleichzeitig der Auslasskanal 45 gesperrt ist. Die Flüssigkeit kann aus der Kammer 31 über den Auslasskanal 45 abgelassen werden, wenn gleichzeitig der Einlasskanal 42 geschlossen und der Auslasskanal 45 geöffnet wird.
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4 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung 55. Die mikrofluidische Vorrichtung 55 weist eine Kammer 51 mit einer Innenwand 56 mit einer superhydrophoben Oberfläche 52, eine Öffnung 54, eine erste strukturierte Schicht 60, eine zweite Schicht 61, einen Einlasskanal 62, einen Auslasskanal 65, einen ersten Durchbruch 63 vom Einlasskanal 62 zur Kammer 51 und einen zweiten Durchbruch 64 von der Kammer 51 zum Auslasskanal 65 auf. Die mikrofluidische Kammer 51 ist in die strukturierte erste Schicht 60 integriert. Die mikrofluidische Vorrichtung 55 ist wiederum unter Berücksichtigung der Gravitations- und/oder Zentrifugalkraft, welche in Richtung des Pfeils 9 wirkt, anhand einer Längsrichtung 59 der Kammer 51 entsprechend den vorherigen Ausführungsformen ausgerichtet. Der Auslasskanal 65 führt über den zweiten Durchbruch 64 an dem unteren Ende der Kammer 51 in die Kammer 51. Dieses untere Ende bildet eine Einmündung 58 und ist halbkugelförmig gestaltet. Der erste Durchbruch 63 vom Einlasskanal 62 in die Kammer 51 ist im oberen Bereich seitlich in der Kammer 51 angeschlossen. Die Innenwand 56 der Kammer 51 weist gänzlich eine superhydrophobe Oberfläche 52 auf. Die zweite Schicht 61 ist an die erste Schicht 60 angeordnet, so dass die Kanäle 62 und 65 ausgebildet werden.
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5 zeigt eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung 75. Die mikrofluidische Vorrichtung 75 weist eine Kammer 71 mit einer Innenwand 76 mit einer superhydrophoben Oberfläche 72, eine erste strukturierte Schicht 80, eine zweite strukturierte Schicht 81, einen Einlasskanal 82, einen Auslasskanal 85, einen ersten Durchbruch 83 vom Einlasskanal 82 zur Kammer 71, einen zweiten Durchbruch 84 von der Kammer 71 zum Auslasskanal 85, eine dritte Schicht 86 und einen Deckel 87 auf. Die mikrofluidische Vorrichtung 75 ist wiederum unter Berücksichtigung der Gravitations- und/oder Zentrifugalkraft, welche in Richtung des Pfeils 9 wirkt, anhand einer Längsrichtung 79 der Kammer 71 entsprechend den vorherigen Ausführungsformen ausgerichtet. Der Auslasskanal 82 führt über den zweiten Durchbruch 84 an dem unteren Ende der Kammer in die Kammer 71. Dieses untere Ende bildet eine Einmündung 78 und ist halbkugelförmig gestaltet. Der erste Durchbruch 83 vom Einlasskanal 82 in die Kammer 71 ist im oberen Bereich seitlich in der Kammer 71 angeschlossen. Die Innenwand der Kammer 71 weist gänzlich eine superhydrophobe Oberfläche 72 auf. Die erste Schicht 80 ist derart strukturiert, dass die erste Schicht 80 die Kammer 71 und die einen wesentlichen Teil der Durchbrüche 83 und 84 ausbildet. Die zweite Schicht 81 ist derart strukturiert, dass die zweite Schicht 81 den Einlasskanal 82, den Auslasskanal 85 und einen Teil der Durchbrüche 83 und 83 ausbildet. Die zweite Schicht 81 ist an die erste Schicht 80 derart angeordnet, dass die jeweiligen Teile der Durchbrüche 83 und 84 der ersten Schicht 80 und zweiten Schicht in fluidischer Verbindung sind. Die dritte Schicht 86 ist an die zweite Schicht 81 angeordnet, so dass die Kanäle 82 und 85 ausgebildet werden. Der Deckel 87 ist an der ersten Schicht 80 derart angeordnet, dass der Deckel 87 die Kammer 71 an ihrer Oberseite verschließt.
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Eine Flüssigkeit kann nun durch den Einlasskanal 82 und den ersten Durchbruch 83 in die Kammer 71 gepumpt werden. Alternativ kann eine Flüssigkeit bereits während der Herstellung der mikrofluidischen Vorrichtung 75 vor Aufbringen des Deckels 87 in die Kammer 71 pipettiert oder dispensiert werden. Dies hat den Vorteil, dass eine einfache Vorlagerung von Flüssigkeiten möglich ist. Unter einem Einfluss der Gravitations- und/oder Zentrifugalkraft 9 sammelt sich die Flüssigkeit in dem halbkugelförmig ausgelegten Bereich im Inneren der Kammer 71. Die an dem Kammerboden gesammelte Flüssigkeit kann nun durch das Anlegen eines pneumatischen Überdrucks an den Einlasskanal 82 und/oder einen Unterdruck im Auslasskanal 85 durch den zweiten Durchbruch 84 in den Auslasskanal 85 bewegt werden.
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In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist der Betrag des Winkels zwischen der Längsrichtung 19, 39, 59 der Kammer 1, 31, 51 und dem Vektor der resultierenden Gravitations- und/oder Zentrifugalkraft 9 kleiner 5 Grad.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 5, 35, 51 kann eine Flüssigkeit, die beispielsweise unter Einfluss einer Gravitationskraft 9 ist und sich in der Kammer 1, 31, 51 befindet, zuverlässig von Luftblasen getrennt werden. Die Luftblasen können über die der Gravitationskraftrichtung abgewandte offene Kammerseite der Kammer entweichen.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weist die Oberfläche der inneren Seite der Kammer in einer Umgebung der Mündung eines Auslasskanals einen hydrophilen Bereich auf, z.B. 0,1 bis 1 mm, um sicherzustellen, dass der Auslasskanal von einer Flüssigkeit benetzt wird.
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Die erste Schicht 10, 40, 60 und/oder die zweite Schicht 11, 41, 61 wird beispielsweise aus einem Polymer hergestellt, z.B. einem thermoplastischen Polymer, z.B. Polykarbonat, Polystyrol, Polypropylen oder einem zyklischen Olefin-Copolymer.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Bereich der Innenwand der Kammer an ihrer Unterseite trichterförmig auslegt.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die erfindungsgemäße mikrofluidische Vorrichtung eine Kammer mit einer superhydrophoben Oberfläche auf ihrer Innenwand und einer Öffnung auf. Eine Flüssigkeit kann dann beispielsweise manuell durch die Öffnung in die Kammer pipettiert oder automatisch dispensiert werden. Auf diese Weise kann ein Benutzer eine Probe von außen in die Kammer der mikrofluidischen Vorrichtung einbringen. Ggf. kann die Öffnung vom Benutzer anschließend mit einer Klebefolie oder einem Deckel verschlossen werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die Verbindung zwischen der Kammer und dem Schichtverbund erst kurz vor Inbetriebnahme der mikrofluidischen Vorrichtung hergestellt, beispielsweise durch Aufklemmen, -stecken, -clipsen oder -kleben.
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In einer weiteren Ausführungsform befinden sich die Kanäle in der zweiten Schicht.
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Eine Herstellung einer erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung kann z. B. dadurch erfolgen, dass die mikrofluidische Kammer und die erste und/oder zweite Schicht durch Spritzgießen, Heißprägen, Blasformen und/oder Fräsen erfolgt. Eine Verbindung der Kammer und der Schichten kann beispielsweise durch Kleben, Lamination und/oder Schweißen, insbesondere Lösemittel-, Ultraschall- oder Laserdurchstrahlschweißen, erfolgen.
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Die Herstellung einer superhydrophoben Oberfläche für die Innenwand der Kammer einer erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung kann beispielsweise durch Aufbringen von hydrophobisierten Partikeln (Beads), durch Fertigung der Kammer aus Polytetrafluorethylen, Anätzen der Oberfläche mittels Plasma, Aufrauen der Oberfläche und Hydrophobisierung durch Aufbringen einer Dünnschicht eines hydrophoben Polymers, Electrospinning von hydrophoben Fasern, Einbringen von mikrostrukturierten hydrophobisierten Siliziumplättchen in die Innenwand der Kammer und/oder einen Sol-Gel-Prozess erfolgen.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die mikrofluidische Vorrichtung weitere mikrofluidische, elektrische oder optische Komponenten wie z. B. Pumpen, Mischer, weitere Kammern bzw. Reservoire, Biosensoren und/oder Prismen enthalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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