DE102012206042A1

DE102012206042A1 - Verfahren und Vorrichtung zur gezielten Prozessführung in einem Mikrofluidik-Prozessor mit integrierten aktiven Elementen

Info

Publication number: DE102012206042A1
Application number: DE102012206042A
Authority: DE
Inventors: Andreas Richter; Rinaldo Greiner; Merle Allerdißen
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2013-10-31
Anticipated expiration: 2032-04-14
Also published as: US9272281B2; EP2836302B1; DE102012206042B4; US20150044688A1; WO2013153181A1; EP2836302A1; EP2836302B8

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikrofluidische mikrochemomechanisches System mit integrierten aktiven Elementen und ein Verfahren zur mikrofluidischen Prozessführung in einem mikrofluidischen mikromechanischen System. Erfindungsgemäß umfasst das mikrofluidische System integrierte aktive Elemente, welche hilfsenergiefrei durch beeinflussbare Umgebungsgrößen aktivierbar und durch die Änderung ihres Quellungszustandes oder ihrer mechanischen Eigenschaften aktive Funktionen bewirkend, ausgeführt sind. Das mikrofluidische mikrochemomechanische System umfasst dabei weiterhin zumindest einen Strukturträger mit zumindest einem ersten und zweiten Kanal, wobei in einem Überlagerungsbereich des ersten und zweiten Kanals eine Kammer ausgebildet ist, welche durch aktive Elemente begrenzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches mikrochemomechanisches System mit integrierten aktiven Elementen und ein Verfahren zur mikrofluidischen Prozessführung in einem mikrofluidischen mikrochemomechanischen System.
Mikrofludische Prozessoren finden heute vor allem Anwendung in biologischen, biochemischen und chemischen Prozessen, wobei vor allem deren Verwendung als „Labs on Chips“ (LOC), „Chip-Labore“ bzw. „Micro-Total-Analysis Systems“ (µTAS) im Fokus wissenschaftlicher Entwicklungen steht.
Das LOC-Konzept offeriert mannigfaltige Vorteile. Die Verringerung der Fluidvolumina ermöglicht das Analysieren kleinster Probenmengen und einen sparsamen Umgang mit Reagenzien und Proben, die oft wertvoll, selten, schädlich oder gefährlich sind. Dadurch sind auch höhere Durchsätze erreichbar, da aufgrund der geringen Mengen verkürzte Bereitstellungs-, Misch- und Reaktionszeiten bei minimiertem Energiebedarf benötigt werden. Aufgrund geringerer Systemantwortzeiten kann sich auch die Prozesskontrolle erleichtern.
Insgesamt ermöglichen LOC-Aufbauten bedeutende Prozessrationalisierungen, indem sie die Prozesszeit erheblich verkürzen und damit den möglichen Durchsatz erhöhen sowie die Mengen der benötigten Medien (Probanden, Analyte, Reagenzien, Hilfsmedien) reduzieren.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind mikrofluidische Systeme mit aktiven Elementen bekannt.
So sind aktive fluidische Elemente auf Basis von Festkörperaktoren, wie Piezoaktoren [ US 5,224,843 , US 2003/0143122 ] und Formgedächtnisaktoren [ US 5,659,171 ] beschrieben. Sie sind zwar als Einzelelemente gut miniaturisierbar, besitzen aber einen komplizierten Aufbau, sind auf bestimmte, meist nicht kunststoffbasierte, Materialien festgelegt und müssen deshalb separat gefertigt werden. Eine mögliche Hybrid-Integration (z. B. Aufkleben der Elemente auf das LOC) ist im Regelfall unwirtschaftlich.
Wandlerelemente, die auf Änderungen des Aggregatzustandes beruhen, lassen sich mit zum Teil geringfügigen Eingriffen in das Layout der Kanalstrukturträger integrieren und sind deshalb meist zum Fertigungsprozess der Kunststoffformteile des Kanalstrukturträgers kompatibel. Es sind beispielsweise Schmelzelemente [R. Pal et al.', Anal. Chem. 16 (2004) 13, S. 3740–3748] und Gefrierelemente [ US 6,536,476 ] sowie thermische Blasengeneratoren [ US 6,283,718 ] bekannt.
Die DE 101 57 317 A1 offenbart ein Grundelement eines Mikrofluidik-Prozessors, welches durch die Steuerung des Quellungsgrades von quellfähigen Polymernetzwerken mit Volumenphasenübergangsverhalten, insbesondere Hydrogele, über eine elektrisch oder elektronisch steuerbare Schnittstellengröße elektronikkompatibel ist. Als steuerbare Umgebungsgrößen bzw. Schnittstellengrößen dienen dabei bevorzugt physikalische Größen, die einfach durch elektronische bzw. elektrische Mittel erzeugt werden können und Volumenphasenübergänge in quellfähigen Polymernetzwerken auslösen. Eine sehr einfach elektrisch erzeugbare Steuergröße ist die Temperatur.
Der Nachteil dieser hydrogelbasierten aktiven Elemente besteht vor allem in der Notwendigkeit, elektrisch erzeugbare Steuergrößen zur Erzeugung von Volumenphasenübergängen einzusetzen, wodurch ein Betrieb solcher mikrofluidischer Systeme zwingend an elektrische Komponenten gebunden ist. Dadurch ist eine autarke Verwendung mikrofluidischer Systeme ausgeschlossen.
Die WO 2008/049413 offenbart ein Mikrofluidiksystem mit aktiven Elementen, welche hilfsenergiefrei gesteuert werden können. Dabei werden vor allen hydrogelbasierte aktive Elemente offenbart, welche einen Volumenphasenübergang in Abhängigkeit von Temperatur oder Lösungsmittel ermöglichen. Dabei bewirken die aktiven Elemente mittels einer Änderung des Quellungsgrades oder der mechanischen Eigenschaften eine aktive Funktion. Zudem werden Quellmittelbarrieren offenbart, die durch Aufnahme des Lösungsmittels aufquellen und infolgedessen eine Limitation der Quellmittelzufuhr bewirken.
Die Verwendung hilfsenergiefreier aktiver Elemente erlaubt eine weitgehend autarke Verwendung mikrofluidischer Systeme insbesondere in der Diagnostik, wobei durch den Verzicht auf externe elektrische Energiequellen und die Nutzung chemischer Energiequellen die Etablierung von Einmal-Analyse-Systemen begünstigt würde.
Eine Weiterentwicklung derartiger mikrofluidischer mikrochemomechanischer Systeme wäre daher in hohem Maße wünschenswert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein mikrofluidisches mikrochemomechanisches System anzugeben, welches aktive, hilfsenergiefrei betriebene Elemente aufweist, und dadurch befähigt ist, volumetrisch definierte Mischungsreaktionen in definierten Zeitabläufen durchzuführen.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch ein mikrofluidisches mikrochemomechanisches System gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß umfasst das mikrofluidische System integrierte aktive Elemente, welche hilfsenergiefrei durch beeinflussbare Umgebungsgrößen aktivierbar und durch die Änderung ihres Quellungszustandes oder ihrer mechanischen Eigenschaften aktive Funktionen bewirkend, ausgeführt sind. Das mikrofluidische mikrochemomechanische System umfasst dabei zumindest einen Strukturträger mit zumindest einem ersten Kanal, der im Regelfall zu einem ersten Kanalsystem mit einem ersten Prozessmedium gehört. Weiterhin beinhaltet es zumindest eine Abdeckung, welche den Strukturträger zumindest teilweise abdeckt sowie zumindest einen zweiten Kanal eines zweiten Kanalsystems, welcher entweder auf dem Strukturträger, welcher bereits den ersten Kanal eines ersten Kanalsystems trägt, oder in der Abdeckung integriert ist. Der erste und der zweite Kanal weisen Reservoirräume in einem gemeinsamen Überlagerungsbereich auf. Die Reservoirräume sind durch aktive Elemente begrenzt und sind befähigt, eine gemeinsame Reaktionskammer auszubilden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Abdeckung als oberer Strukturträger in einer Anordnung von zumindest zwei Strukturträgern ausgeführt.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist in dem Überlagerungsbereich des ersten und zweiten Kanalssystems eine Membran zwischen dem ersten und zweiten Kanal angeordnet, wodurch die gemeinsame Kammer in einen ersten Reservoirraum und in einen zweiten Reservoirraum unterteilt wird. Dadurch wird eine Separierung der Flüssigkeiten im ersten und zweiten Kanal bewirkt, weshalb eine ungewollte Flüssigkeitsverlagerung, z.B. infolge einer verzögerten Strömung einer Flüssigkeit, in einen der beiden Kanäle unterbunden wird. Durch eine verlangsamte Strömung, beispielsweise infolge einer Blockade, könnte die zweite Flüssigkeit über die gemeinsame Kammer in den ersten Kanal eintreten, wodurch eine undefinierte Durchmischung der ersten und zweiten Flüssigkeit nicht wie gewünscht in der gemeinsamen Kammer, sondern bereits im ersten Kanal erfolgen würde. Infolgedessen wären die so erzeugten, volumetrisch undefinierten Vermischungen für Analysezwecke ungenügend. Durch die Separierung der beiden Flüssigkeiten mittels einer Membran wird eine unerwünschte Verlagerung der Flüssigkeiten in den jeweils anderen Reservoirraum unterbunden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Membran als aktive Membran ausgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Membran zwischen erstem und zweitem Reaktionsraum aus einem flüssigkeitslöslichen Material ausgeführt. Dadurch kann die Membran nach Befüllen der ersten und zweiten Reservoirräumen mit den beiden Flüssigkeiten aufgelöst werden, wodurch die Reservoirräume zur gemeinsamen Kammer verbunden werden und in dieser wie beabsichtigt eine Durchmischung der Flüssigkeiten erfolgen kann. Dies geschieht vorteilhaft dann, wenn die weiteren aktiven Elemente, welche die Kammer begrenzen und als quellbare Quellmittelbarrieren ausgeführt sind, ein Nachströmen der Flüssigkeiten aus den Kanälen in die Kammer unterbinden. Durch das Aufquellen der Quellmittelbarrieren wird eine hermetisch abgeschlossene Kammer realisiert, welche sich durch jeweils definierte Flüssigkeitsvolumina in den Reservoirräumen auszeichnet, die dann durch die zeitlich nachgelagerte Auflösung der Membran miteinander verbunden werden, so dass sich deren Inhalte miteinander vermischen können. Dabei ist die Membran entsprechend den Bedürfnissen der Anwendung so konfigurierbar, dass der zeitliche Verlauf der Auflösung eine Vermischung der Flüssigkeiten in der Kammer zum gewünschten Zeitpunkt ermöglicht. Das zeitliche Auflöseverhalten der Membran bei Kontakt mit Flüssigkeit kann dabei sowohl über die Auswahl des Materials als auch über die Dicke der Membran konstruktiv eingestellt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da damit bei Auftreten von Strömungsverlangsamungen in einem der beiden Kanäle und eines damit verbundenen retardierten Einströmen in die Kammer eine undefinierte Verlagerung der Flüssigkeiten vermieden werden kann. Selbstverständlich können auch mehr als zwei Kanalsysteme wie beschrieben miteinander verbunden sein, um Mischungsvorgänge mit mehr als zwei Flüssigkeiten durchzuführen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das aktive Element im Bodenbereich des zweiten Reservoirraum der Kammer als Abgabesystem von Wirk- und anderen Stoffen ausgeführt. Dabei können Wirk- und/oder andere Stoffe im aktiven Element eingebettet oder fixiert sein, wobei eine Freisetzung dieser Wirk- und/oder anderen Stoffe durch die aktivierende Umgebungsgröße erfolgt. Dadurch können Wirk- und/oder andere Stoffe, wie etwa Enzyme, Substrate, Prekursoren, etc., in der Kammer immobilisiert werden, wobei die zeitliche Freisetzung der Wirk- und/oder anderen Stoffe wiederum den Anwenderbedürfnissen entsprechend angepasst werden können. So ist beispielsweise eine Freisetzung nach Aktivierung der die Kammer begrenzenden aktiven Elemente möglich, sodass die Wirk- und/oder anderen Stoffe in das durch die Kammer definierte Volumen freigesetzt werden. Auch ist es denkbar, dass die Freisetzung noch vor der Auflösung der Membran erfolgt. Im ersten Fall würde es zu einer Vermischung der ersten und zweiten Flüssigkeit in der Kammer kommen, wobei die zweite Flüssigkeit den Wirk- und/oder anderen Stoffe bereits enthalten würde. Denkbar wären solche Anwendungen etwa für gezielte Immobilisierungen verschiedener Substratkonzentrationen in unterschiedlichen Kammern. Im anderen Fall würde die Freisetzung in die Kammer erst nach Vermischen der ersten und zweiten Flüssigkeit erfolgen. Dies wäre vorteilhaft, wenn zunächst die erste und zweite Flüssigkeit eine Reaktion durchführen sollen und die Zugabe eines Substrats, etc. erst nach Abschluss dieser Reaktion möglich ist. Durch die gezielte Immobilisierung der Wirk- und/oder anderen Stoffe ist eine breite Möglichkeit der Anwendung des mikrofluidischen mikromechanischen Systems in der Analytik eröffnet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die aktiven Elemente durch Flüssigkeitsgegenwart als Umgebungsgröße aktivierbar ausgeführt. Dabei ist sowohl eine Änderung des Quellungszustandes durch Flüssigkeitsaufnahme als auch eine Auflösung des aktiven Elements infolge des Flüssigkeitskontakts denkbar.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die aktiven Elemente die zeitliche Abfolge sowie das Zeitverhalten der Durchmischung der ersten und zweiten Flüssigkeit festlegend ausgeführt. Durch die Variation des Aufbaus der aktiven Elemente kann direkt Einfluss auf das Zeitverhalten der Durchmischung von erster und zweiter Flüssigkeit genommen werden. Dabei können beispielsweise durch geeignete Auswahl an Materialien die aktiven Elemente in ihrem Zeitverhalten gesteuert werden. Auch durch die Dimensionierung der aktiven Elemente kann das Zeitverhalten beeinflusst werden. So können beispielsweise größer dimensionierte aktive Elemente, welche durch die aktivierende Umgebungsgröße eine Volumenzunahme erfahren, eine schnellere Unterbindung der Flüssigkeitsströmung erzielen als vergleichbar kleiner dimensionierte aktive Elemente. Gleichfalls kann etwa auch bei flüssigkeitslöslichen aktiven Elementen eine verlangsamte Auflösung infolge größerer Dimensionierung des aktiven Elements gezielt eingestellt werden. Dadurch kann die zeitliche Abfolge sowohl materialabhängig als auch dimensionsabhängig gesteuert werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die aktiven Elemente als Quellmittelbarrieren oder flüssigkeitslösliche Barrieren ausgeführt. Im Falle der Ausbildung der aktiven Elemente als Quellmittelbarrieren würde durch eine Flüssigkeitsaufnahme eine Volumenzunahme des aktiven Elements erfolgen, wodurch der Kanal, welcher das aktive Element enthält, immer weiter verengt wird, bis es infolge einer vollständigen Ausfüllung des Kanalquerschnitts zu einem Strömungsabriss im Kanal und mithin zu einer Unterbindung der Strömung kommt. Das als Quellmittelbarriere ausgeführte aktive Element wird dabei in einem getrockneten Zustand in den Kanal des mikrofluidischen mikromechanischen Systems eingebracht. Bei der Ausführung der aktiven Elemente als flüssigkeitslösliche Barriere wird durch die Benetzung der Barriere mit der Flüssigkeit im Kanal eine Auflösung dieser Barriere erzielt. Dadurch kommt es bei fortschreitender Auflösung der Barriere zu einem Ansteigen der Durchströmung des Kanalquerschnitts und infolgedessen zur Ausbildung einer Strömung der Flüssigkeit durch den Kanal.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Quellmittelbarrieren oder flüssigkeitslöslichen Barrieren als Ventile ausgeführt. Durch die zeitlich definierbare Quellung oder Auflösung der Barrieren können die aktiven Elemente Ventilfunktionen innerhalb des mikrofluidischen mikrochemomechanischen Systems wahrnehmen. Dadurch können die Ventile sowohl Öffner-(flüssigkeitslösliche Barriere) als auch Schließfunktionen (Quellmittelbarrieren) ausüben. Aufgrund der zeitlich definierbaren und hilfsenergiefreien Funktionsausübung eignen sich derartige Ventil bevorzugt für den Einsatz in autarken mikrofluidischen Systemen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bestehen die aktiven Elemente aus Hydrogelen, die chemisch vernetzt und/oder physikalisch vernetzbar sind. Unter Hydrogelen wird im Sinne der Erfindung ein Wasser enthaltendes, aber wasserunlösliches Polymer verstanden, dessen Moleküle chemisch, z. B. durch kovalente Bindungen, oder physikalisch, z. B. durch Verschlaufen der Polymerketten, zu einem dreidimensionalen Netzwerk verknüpft sind. Durch eingebaute hydrophile Polymerkomponenten quellen sie in Flüssigkeiten unter beträchtlicher Volumenzunahme, ohne aber ihren stofflichen Zusammenhalt zu verlieren.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bestehen die aktiven Elemente aus Hydrogelen, welche ausgewählt sind aus einer Gruppe, welche z.B. Polyacrylamide, Polyvinylalkohole, Polyacrylate, Hydroxycellulose, Polyvinylpyridine oder Polyglykole (z.B. Polyethylenglykol, Polypropylenglykol) und deren Derivate umfasst.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung sind die aktiven Elemente aus unvernetzten Polymeren, Salzen und organischen Naturstoffen wie Sacchariden ausgeführt. Dies ist der Fall, wenn die aktiven Elemente als flüssigkeitslösliche Barrieren ausgeführt sind. Dabei können sämtliche Materialien eingesetzt werden, die im getrockneten Zustand einen Feststoff, Sol-Gel oder dergleichen bilden und bei Kontakt mit einer Flüssigkeit in Lösung gehen. Die Materialbasis der unvernetzten Polymere kann prinzipiell die gleiche wie bei den vernetzten Polymeren sein. Während die zu einem dreidimensionalen Netzwerk vernetzten Polymere als quellbare Quellmittelbarrieren dienen, lösen sich die gleichen Polymere in der Flüssigkeit auf, wenn sie unvernetzt sind, da die nicht miteinander verbundenen Polymerketten in Lösung gehen können.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur mikrofluidischen Prozessführung in einem mikrofluidischen mikromechanischen System, wobei eine erste Flüssigkeit in einen ersten Kanal eingebracht wird, eine zweite Flüssigkeit in einen zweiten Kanal eingebracht wird und eine Vermischung der ersten und zweiten Flüssigkeit in einer Kammer, welche im Überlagerungsbereich des ersten und zweiten Kanals ausgebildet wird, erfolgt, wobei die zeitliche Abfolge der Vermischung der ersten und zweiten Flüssigkeit in der Kammer durch aktive Elemente bestimmt wird.
Die vorbeschriebenen Verfahrensschritte sind insbesondere vorteilhaft zur zeitlichen Steuerung der Vermischung von zwei Flüssigkeiten in einem mikrofluidischen System. Durch geeignete Wahl der Parameter kann dadurch anwenderspezifisch die jeweils gewünschte zeitliche Abfolge von Prozessschritten, wie Vermischung, Auflösung von Barrieren, Verschluss gewünschter Kanalabschnitte mittels Quellmittelbarrieren, Freisetzung von Wirk- und/oder anderen Stoffen) erzielt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die zeitliche Abfolge der Vermischung der ersten und zweiten Flüssigkeit in der Kammer durch die aktiven Elemente, welche flüssigkeitslöslich oder als Quellmittelbarriere ausgeführt sind, bestimmt. Dadurch kann sowohl ein Unterbinden der Strömung als auch eine Öffnung von Kanalabschnitten zur Durchströmung mit der ersten oder zweiten Flüssigkeit realisiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin die Auflösung einer flüssigkeitslöslichen Membran, welche die Kammer in einen ersten Reservoirraum und in einen zweiten Reservoirraum unterteilt, durch die erste und zweite Flüssigkeit vor der Vermischung der ersten du zweiten Flüssigkeit. Durch die Auflösung der Membran wird die Unterteilung der Kammer in einen ersten und in einen zweiten Reaktionsraum aufgehoben, sodass eine Durchmischung der ersten und zweiten Flüssigkeit, welche im ersten und zweiten Reservoirraum vorhanden sind, erfolgt.
Erfindungsgemäß erfolgt die Verwendung des mikrofluidischen mikrochemomechanischen Systems zur Durchführung von Prozessen auf Basis von Antigen-Antikörper-Reaktionen, Durchführung von Prozessen auf Basis der Kulturmethode, Kontrolle und/oder Detektion von Prozessen auf Basis einer Polymerasekettenreaktion und Detektion von Enzymaktivität eines biochemischen Prozesses. Weitere Anwendungen auf Basis chemischer oder biochemischer Mischreaktionen sind denkbar.
Das erfindungsgemäße mikrofluidische mikrochemomechanische System zeichnet sich dadurch aus, dass es hilfsenergiefrei eine Durchmischung einer ersten und einer zweiten Flüssigkeit in einer Kammer mit definierten Volumen und in einer zeitlich steuerbaren Art und Weise ermöglicht. Zudem können immobilisierte Wirk- und /oder andere Stoffe zeitgesteuert freigesetzt werden und so Reaktionen in der Kammer ermöglichen.
Die vorbenannten erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind geeignet die Aufgabe zu lösen. Dabei sind auch Kombinationen der offenbarten Ausführungsformen zur Lösung der Aufgabe geeignet.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele und der zugehörigen Figuren eingehender erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung beschreiben ohne sich auf diese zu beschränken.
Es zeigen die
1 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes mikrofluidisches mikrochemomechanisches System, in
2a eine Draufsicht auf eine Stufe des in 1 dargestellten mikrochemomechanischen Systems, in
2b eine Querschnittsansicht der in 2a dargestellten Stufe, in
3a eine Draufsicht auf eine Stufe eines weiteren erfindungsgemäßen mikrofluidischen, mikrochemomechanischen Systems, in
3b eine Querschnittsansicht der in 3a dargestellten Stufe, in
4 eine Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen mikrofluidischen mikrochemomechanischen Systems mit einer 48×48-Mischungsmatrize, in
5a eine Draufsicht auf einen 2×2-Ausschnitt aus der Matrize von 4, in
5b eine Querschnittsansicht eines in 5a dargestellten Matrizenausschnitts, in
5c eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausgestaltung eines in 5a dargestellten Matrizenausschnitts, in
6a ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit des kooperativen Diffusionskoeffizienten von Quellmittelbarrieren auf Basis von Natriumacrylat-Hydrogelen in Abhängigkeit von deren normierter Vernetzerkonzentration, in
6b ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeiten der Schließzeit und der Druckbeständigkeit von Quellmittelbarrieren auf Basis von Natriumacrylat-Hydrogelen in Abhängigkeit von deren normierter Vernetzerkonzentration, in
6c ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeiten der Schließzeit von Quellmittelbarrieren auf Basis von Natriumacrylat-Hydrogelen in Abhängigkeit vom Verhältnis des Volumens des Hydrogelaktors im trockenen Ausgangszustand zum Volumen der Ventilkammer,
7a ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit der Öffnungszeit von flüssigkeitslöslichen Barrieren vom verwendeten flüssigkeitslöslichen Material und von der Dicke einer als Membran ausgeführten Barriere,
7b ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit der Öffnungszeitzeit von flüssigkeitslöslichen Barrieren in Form eines Öffnerventils aus PEG 10.000 von der Ventillänge für verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten des Prozessmediums,
7c ein Diagramm zur Darstellung der Standardabweichung der Öffnungszeitzeit von flüssigkeitslöslichen Barrieren in Form eines Öffnerventils aus PEG 6.000 von der Ventillänge.
In einem ersten Ausführungsbeispiel ist in 1 ein erfindungsgemäßes mikrofluidisches mikrochemomechanisches System dargestellt, welches als autark und automatisch arbeitender Mikrofluidikprozessor für äquidistante Langzeituntersuchungen konzipiert ist. Der Mikrofluidikprozessor in 1 führt Langzeit-Untersuchungen aus, die aus identischen analytischen oder anderen Mischungsreaktionen bestehen und die entsprechend eines definierten Zeitplans wiederholt werden. Äquidistante Untersuchungen gehören zu den gebräuchlichsten Verfahren der Wissenschaft und Technik. Sie werden unter anderem zur Kontrolle kritischer Parameter, z. B. dem Monitoring von Bioreaktoren, für die Enzymanalytik, die Analyse von Wachstumsfaktoren oder die Qualitätskontrolle chemischer und biologischer Produkte eingesetzt. Der Mikroprozessor in 1 ist in 192 seriell verbundene, baugleiche Stufen 1 unterteilt und umfasst insgesamt 2096 aktive Elemente 7 und 384 Reservoirräume 9, 10.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel führt eine Stufe 1 (2a, 2b) des Mikrofluidikprozessors sämtliche Schritte der Probenentnahme, Probenpräparation und das einleiten der Mischungsreaktion komplett selbstständig und energieautark durch. Diese benötigt dazu keinerlei elektrische Hilfsenergie und prozessiert ausschließlich chemische Information in Form einer binären Konzentration c der Prozessmedien (c = 0: flüssiges Prozessmedium liegt nicht an; c = 1: flüssiges Prozessmedium liegt an). Die Funktionsweise der Stufe 1 (2a) ist wie folgt. Die Flüssigkeiten 13 und 14 der beiden Kanäle 3 und 4 erreichen die Stufe 1, so dass die binäre Konzentration von 0 auf 1 schaltet. Dieses chemische Signal aktiviert die integrierten aktiven Elemente 7 und stimuliert diese zur Abgabe ihrer gespeicherten chemischen Energie in Form einer definierten fluidischen Funktion in einer durch die fluidische Zusammenschaltung vordefinierten zeitlichen Reihenfolge. Zunächst fluten die Flüssigkeiten die Bestandteile 9, 10 der Reaktionskammer 6 im Überlagerungsbereich 5 der Kanäle 3 und 4. Die Schließelemente 7a, zum Beispiel bestehend aus dem Hydrogel Natriumacrylat, schließen die Ein- und Auslässe der Reservoirräume 9, 10 und separieren sowie dosieren damit die Flüssigkeiten 13, 14. Die Schließzeit der Schließelemente 7a ist so gewählt, dass die Reservoirräume 9, 10 mit höchster Wahrscheinlichkeit vollständig mit den Flüssigkeiten 13, 14 gefüllt sind. Sie kann beispielsweise 45 s betragen (Verhältnis Volumen V_gel des Natriumacrylataktors zum Volumen der Kammer VK 1:5,6, siehe auch 6c). Nach dem hermetischen Verschluss der Reservoirräume 9, 10 löst sich die Membran 7e (2b), welche die Reservoirräume 9, 10 trennt, auf und verbindet 9, 10 zur Reaktionskammer 6. Nun kann durch Vermischung der Flüssigkeiten 13, 14 die angestrebte Reaktion stattfinden. Die Membran 7e, welche beispielsweise als aktive Membran ausgeführt ist, muss mechanisch so stabil sein, dass diese bei Flutung der Reservoirräume 9, 10 nicht signifikant ausgelenkt wird. Zudem darf ihre Auflöse- bzw. Öffnungszeit nicht zu kurz sein, um ungewolltes, verfrühtes Vermischen zu vermeiden. Durch Einsatz einer beispielsweise 70µm dicken aktiven Membran 7e aus unvernetztem Polyvinylalkohol kann eine entsprechende Formstabilität bei einer Öffnungszeit von 7 min realisiert werden (siehe auch 7a).
Während der Befüllung der Reservoirräume 9, 10 sind die Öffnerelemente 7b, welche beispielsweise. aus Polyethylenglykol (PEG) 6000 bestehen, in den Kammer-Bypässen geschlossen. Sobald 9, 10 durch die Schließelemente 7a verschlossen sind, führt der ansteigende Druck über die Öffnerelemente 7b zu deren Durchbruch. Anschließend lösen sich die Elemente 7b schnell vollständig auf. Die Öffnerelemente 7b sind essentielle Elemente für sequentielle Schaltungen mit vielen Stufen bzw. Kaskaden. Ohne diese müssten die fluidischen Widerstände der Bypasskanäle viel höher als die fluidischen Widerstände der zu den Reservoirräumen führenden Kanäle gewählt werden. Dies würde dazu führen, dass durch die sich durch die Reihenschaltung aufsummierenden Bypass-Widerstände die Anzahl seriell schaltbarer Stufen auf 3 oder 4 begrenzt wäre. Da sich die Öffnerelemente 7b vollständig auflösen, kann der Bypasswiderstand so gering gehalten werden, dass der die sequentielle Stufenanzahl praktisch nicht mehr limitiert. Das Öffnerelement 7d definiert die Zeit bis zur Aktivierung der nächsten Stufe. Nach Auslösen der Öffnerelemente 7d fluten die Flüssigkeiten 13, 14 die nächste Stufe. In diesem Moment schließen die Schließelemente 7c die Bypässe zu den in 1 ersichtlichen Zirkulationskanälen 12. Auch bei der Schaltungskombination der Elemente 7c und 7d ist es möglich, den Druckanstieg über dem Öffnerelement 7d infolge des Verschlusses von 7c zum Öffnen von 7d auszunutzen. Der in 1 dargestellte Mikroprozessor ist in der Lage, Mischungsreaktionen in Zeitintervallen von 2min (Öffnerelemente 7d aus Polyethylenglykol 6000 und einer Elementelänge von 400µm, siehe auch 7c) autark und automatisch durchzuführen, er kann aber auch bis zu 16 Tage lang bei autarker und automatischer Durchführung von Mischungsreaktionen in zwei-Stunden-Intervallen arbeiten (Öffnerelemente 7d aus PEG 35000 und 1,2 mm Länge).
Das mikrofluidische mikrochemomechanische System in 1 besitzt eine zwei-Ebenen-Architektur (siehe 2b).Der obere Strukturträger 2a, welcher beispielsweise auch als Abdeckung fungiert, beinhaltet die Kanalstruktur des Kanals 3 für die Flüssigkeit 13, während der untere Kanalstrukturträger 2b die Kanalstruktur des Kanals 4 für die Flüssigkeit 14 trägt. Beide Strukturträger haben beispielsweise ein vergleichbares Design, welches im Wesentlichen gespiegelt sein kann. Die Kanäle 3 und 4 sind für das in 1 dargestellte Beispiel 800 µm breit und 140 µm hoch. Die Bypasskanäle 8 sind 400µm breit und 140 µm hoch. Die quadratischen Rauten für die Schließelemente besitzen eine Volumen von 1000 × 1000 140 µm³ (7a) bzw. 800 × 800 140 µm³ (7c). Die Konfiguration der aktiven Elemente für die Anordnungen in den 1 und 2 ist wie folgt: die Dicke der aktiven Membran aus unvernetztem Polyvinylalkohol ist 70 µm. Die Länge der Öffnerelemente 7b (PEG 6000) ist 400 µm, die Länge der Öffnerelemente 7d (PEG 6000) beträgt 800 µm. Die Natriumacrylat-Aktoren der Schließelemente 7a besitzen das Trockenvolumen 500 × 500 100 µm³ (Volumenverhältnis V_gel:V_K = 1:5,6), die Natriumacrylat-Aktoren der Schließelemente 7c besitzen ein Volumen von 240 × 240 × 100 µm³ (Volumenverhältnis V_gel:V_K = 1:16).
In einer alternativen Ausgestaltung des vorbeschriebenen Ausführungsbeispiels wird das in 1 dargestellte mikrofluidische mikrochemomechanische System in 1 mit nur einem Strukturträger 2 und einer unstrukturierten Abdeckung 2a realisiert. Dabei befinden sich beide Kanalsysteme 3, 4 auf demselben Strukturträger 2, d. h., in einer Ebene. Im Überlagerungsbereich der Kanäle 3, 4 ist nun ein Öffnerelement, welches prinzipiell wie die Öffnerelemente 7b, 7d gestaltet ist, zwischen denn Reservoirräumen 9, 10 angeordnet, welches nach seinem Auflösen die beiden Reservoirräume 9, 10 zur Reaktionskammer 6 verbindet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel bestehen die monolithischen Mikrochips der mikrofluidischen mikrochemomechanischen Systeme (1) vollständig aus Polymeren. Die Strukturträger 2, welche die Kanalnetzwerke enthalten, bestehen beispielsweise aus Polydimethylsiloxan (PDMS) und wurden mit der Multilayer-Soft-Lithografie [D.C. Duffy, J.C. McDonald, O.J.A. Schueller, G.M. Whitesides, Anal. Chem. 70 (1998), 4974–4984] unter Nutzung einer large-area-Replikationstechnologie mit Mastern aus Festresisten [A., Richter, G. Paschew, Adv. Mater. 21 (2009), 979–983] gefertigt. Die Multilayer-Soft-Lithografie unter PDMS-Nutzung eignet sich vorrangig für die Forschung und den Demonstratorbau. Vor allem für die Serienfertigung von der Strukturträger eignen sich auch andere Herstellungsverfahren wie das Heißprägen und Spritzgießen von thermoplastischen Polymeren, welche beispielsweise Polystyrol, Polycarbonat, Olefine wie Cycloolefin, Polyester wie Polyethylenterephthalat umfassen können. Zur Realisierung der aktiven Elemente 7 werden beispielsweise phasenveränderliche Polymere verwendet, welche mit einfachen mikrotechnischen Methoden in den Mikrochip integrierbar sind. Polyethylenglykole werden mit Schablonendruck, Natriumacrylat-Aktoren fotolithografisch mikrostrukturiert. Die aktiven Membranen aus Polyvinylalkohol lassen sich beispielsweise mit einer Pick-and-Place-Technologie integrieren.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgt die Mikrostrukturierung der Natriumacrylat-Aktoren durch eine fotolithografische Polymerisation. Eine beispielhafte Herstellungsprozedur basiert auf einer Mischung aus 2 g Natriumacrylat, 0,04g des Vernetzers N,N'-Methylenbisacrylamid (BIS), und 0,04g des Fotoinitiators 2-Hydroxy-4′-(2-Hydroxyethoxy)-2-Methylpropiophenon, alles gelöst in 14 ml destilliertem Wasser. Diese Lösung wird unter Argon-Schutzgasatmosphäre 24 h gerührt. Für die Diskussion in den 6a und 6b wird diese Stammlösung mit c₀ referiert. Die Fotopolymerisation erfolgt ebenfalls unter Argon-Schutzgasatmosphäre entweder direkt in den Kanalstrukturen oder in einer Fotopolymerisationskammer. Die Qualität und Vernetzungseigenschaften der Natriumacrylat-Aktoren hängen von der Polymerisationszeit, der Distanz zur Belichtungsquelle, vom Typ der Belichtungsquelle und von der Höhe der Polymerisationskammer ab.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden für die Öffnerelemente 7b und 7d schmelzfähiges Polyethylenglykol verwendet, welche mit einer Schablonendruck-Technologie strukturierbar sind. Für das Ausführungsbeispiel der 1 und 2 wurde eine strukturierte Kupfermaske einer Dicke von 20 µm auf den Strukturträgern 2a, b so platziert, dass deren Öffnungen an den Sollpositionen der Öffnerelemente 7b, d lagen. Das geschmolzene PEG wird auf die Kupfermaske gegeben und mit einem Metallrakel verteilt, so dass in den Maskenöffnungen die Öffnerelemente 7b, 7d in den Strukturträgern 2a, 2b entstehen. Sobald das PEG die Strukturträger berührt, erkaltet es und härtet aus. Die erzeugten Öffnerelemente besitzen bereits ihre geometrischen Abmessungen, dichten die Kanäle aber noch nicht ab. Hermetisch dichte Öffnerventile werden in einem letzten Mikrochip-Fertigungsschritt erreicht, indem der bereits vollständig gefügte Mikrochip kurzzeitig geringfügig über die Schmelztemperatur des PEG erwärmt wird. Die PEG-Strukturen schmelzen und verschließen die Kanäle dicht.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird zur Herstellung der aktiven Membranen 7e aus Polyvinylalkohol eine 5%ige Polymerlösung in eine Form gegossen und anschließend getrocknet. Die Höhe der so erzeugte Membran lässt sich durch die Füllmenge und damit – höhe der Lösung in der Gießform festlegen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein mikrofluidischen mikrochemomechanischen Systems in den 3a und 3b dargestellt. Diese zeigen die Stufe eines weiteren Mikroprozessors, der ebenfalls aus sequentiell geschalteten Stufen besteht. Hier besitzen die Stufen die Aufgabe, mehrere Mischungsreaktionen mit unterschiedlichen Verhältnissen gleichzeitig durchzuführen. Die simultane Durchführung von Untersuchungen mit verschiedenen Volumenverhältnissen von Probe und Analyt bzw. einfach zwei Chemikalien ermöglicht u.a. die Bestimmung von Reaktionskinetiken, beispielsweise die Bestimmung einer Enzymaktivität.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Funktionsweise der in den 3a und 3b dargestellten Stufe wird anhand der Untersuchung einer Enzymkinetik erläutert. Durch den Zuführungskanal 3, welcher beispielsweise 800 µm breit und 140 µm hoch ausgeführt ist, wird eine Flüssigkeit zugeleitet, welche das interessierende Enzym, beispielsweise Laccase, eine Polyphenoloxidase des Pilzes Trametes versicolor, enthält. Durch das zunächst geschlossene Öffnerelement 7d ist das Medium gezwungen, die fünf parallelen Kanalstrukturen, welche beispielsweise eine Breite 400 mm, Höhe 140 µm aufweisen, mit Reservoirräumen 9 zu fluten. Nach Verschluss der Reservoirräume durch die Schließelemente 7a, welche beispielsweise für diequadratischen Ventilrauten Abmessungen von 700 × 700 × 140 µm³ oder für die trockenen Natriumacrylataktoren Abmessungen von 300 × 300 × 100 µm³ aufweisen, bei einem Volumenverhältnis V_Gel:V_K = 1:7,6 für eine Schließzeit von 1 min,) fließt zunächst das Prozessmedium über den Bypass 8 in Richtung des als Abfluss fungierenden Zirkulationskanal 12. Dies geschieht so lange, bis das Öffnerelement 7d, welches aus PEG 6000 ausgeführt ist und eine Länge von aufweist, geöffnet hat und das Medium im Kanal 3 zur nachfolgenden Stufe fließen kann. Jede der nunmehr hermetisch geschlossenen Kammern enthält nun ein der Größe des Reservoirraums 9 entsprechendes Volumen an enzymhaltigem Prozessmedium. Darüber hinaus verfügt jeder Reservoirraum 9 im Bodenraum über ein Depot 11, in welchem bereits bei der Mikrochipherstellung ein Analyt in Form eines getrockneten, flüssigkeitslöslichen aktiven Elementes 7f eingebracht wurde. Das analythaltige aktive Element 7f besteht dabei beispielsweise aus getrocknetem, immobilisiertem Substrat 2,2′-Azino-bis(3-ethylbenzthiazoline-6-sulfonic acid) in einem Malonatpuffer. Die Gegenwart des wässrigen Prozessmediums lässt das Substrat in Lösung gehen und die Mischungsreaktionen starten. Die Reservoirräume 9 und die darin befindlichen Depots 11 repräsentierten beispielsweise Volumenverhältnisse von Probe zu Analyt von 1:3, 1:2, 3:1, 2:1 und 1:1.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist in 4 ein erfindungsgemäßes mikrofluidisches mikrochemomechanisches System vorgestellt, welches als autark und automatisch arbeitender hochparalleler Mikrofluidik-[N×M]-Matrix-Prozessor jegliche mögliche Kombination von N in Zeilen organisierten mit M in Spalten organisierten Chemikalien realisiert. In 1 ist ein [48×48]-Matrix-Prozessor dargestellt. Ein beispielhaftes Anwendungsszenario eines solchen [48×48]Matrix-Prozessors ist das parallele Untersuchen von 48 Proben nach 48 Parametern, wie etwa zu Screening-Zwecken. Der Vorteil derartiger Matrix-Prozessoren besteht darin, dass alle Untersuchungen zum gleichen Zeitpunkt bei exakt gleichen Konditionen durchgeführt werden. Die massiv parallele Durchführung der Tests bringt zudem die Vorteile der Hochintegration zum Tragen, so dass Untersuchungsreihen, die typischerweise Tage oder Wochen dauern, in Stunden durchführbar sind. Der [48×48]-Matrix-Prozessor führt 2304 Untersuchungen gleichzeitig und vollautomatisch durch. Er verfügt insgesamt über 2401 Schließelemente 7a und 2304 aktive Membranen 7e. Seine Funktionsweise wird nachfolgend anhand der 5a und 5b für einen [4×4]-Matrixausschnitt und eine Beispielkonfiguration erklärt.
In die Zeilenkanäle 15 und 16 sowie die Spaltenkanäle 17 und 18 werden gleichzeitig und mit gleicher Flussrate Flüssigkeiten, in den Zeilenkanälen 15 und 16 beispielsweise Probenflüssigkeiten, in den Spaltenkanälen 17 und 18 beispielweise Analyte, eingebracht. Die Flüssigkeiten der Zeilenkanäle 15, 16 fluten die Reservoirräume 9, die Flüssigkeiten der Spaltenkanäle 17, 18 fluten gleichzeitig die Reservoirräume 10. Die Schließelemente 7a verschließen nach ca. 1 min die Reservoirräume hermetisch, wobei die Abmessungen der quadratischen Ventilrauten 700 × 700 × 140 µm³ und die Abmessungen der trockenen Natriumacrylataktoren 300 × 300 × 100 µm³ bei einem Volumenverhältnis V_Gel:V_K = 1:7,6 ist. Bei der Dimensionierung der Schließventile 7a ist darauf zu achten, dass diese erst dann schließen, wenn alle Reservoirräume vollständig geflutet sind. Nach dem hermetischen Verschließen der Schließelemente 7a lösen sich die aktiven Membranen 7e innerhalb von ca. 3 min auf, wobei die Membranen beispielweise aus Polyvinylalkohol mit einer Dicke von 50 µm ausgeführt sind, wobei die 2 × 2 = 4 möglichen Mischungsreaktionen gleichzeitig stattfinden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird in 5c verdeutlicht, dass man durch Einfügen weiterer fluidischer Ebenen in jedem Matrixpunkt mehr als zwei Flüssigkeiten miteinander vermischen kann. Im dargestellten Beispiel wird ein weiterer mittlerer Strukturträger 2c in den Gesamtaufbau integriert, welcher über eine gleichartige Konfiguration aktiver Elemente 7a, 7e verfügt wie die beiden anderen Strukturträger 2a, 2b. Durch diese einfache Stapelung von drei Strukturträgern ist es möglich, drei Reservoirkammern 9, 10, 19, die durch verschiedene Kanäle 16, 18, 21 gespeist werden, zu einer Reaktionskammer 6 zu vereinen und so in einem Matrixpunkt drei Flüssigkeiten miteinander zu vermischen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigen die 6a, 6b und 6c Möglichkeiten auf, die Parameter der Schließelemente 7a, 7c, insbesondere die Schließzeit und die Druckresistenz, durch Materialwahl und konstruktive Parameter vorzudefinieren. 6a verdeutlicht, dass die Schließzeit durch die Hydrophilie bzw. den kooperativen Diffusionskoeffizienten des ausgewählten Materials voreingestellt werden kann. Zwei Hydrogeltypen lassen sich unterscheiden, neutrale Hydrogele und polyelektrolytische Hydrogele. Neutrale Hydrogele wie vernetztes Polyacrylamid, Poly(N-Isopropylacrylamid), Polymethylvinylether, Polyvinylalkohol oder Polyethylenglykol besitzen kooperative Diffusionskoeffizienten D_coop in der Größenordnung von 10^–7 cm²s^–1. Diese Hydrogele sind prädestiniert als Materialbasis für relativ langsame Schließelemente mit Schließzeiten im Minuten- oder Stundenbereich. Polyelektrolytische Hydrogele, welche ionisierbare Gruppen, z.B. Säure- oder Basegruppen, enthalten, besitzen aufgrund zusätzlicher inter- und intramolekularer elektrostatischer Wechselwirkungen, welche expansiv wirken, kooperative Diffusionskoeffizienten in der Größenordnung von 10^–7 bis 10^–5 cm²s^–1. Polyelektrolytische Hydrogele, welche als Superabsorber genutzt werden, besitzen den größten D_coop. Zu ihnen zählt das Hydrogel Natriumacrylat. Wie 6a zeigt, hängt D_coop von Natriumacrylat von den Vernetzungsbedingungen ab. Je mehr Vernetzer N,N'-Methylenbisacrylamid (BIS) verwendet wird, umso größer ist der kooperative Diffusionskoeffizient und umso schneller quillt das Hydrogel. Ab einer normierten Konzentration von c / c₀ = 7 verringert sich der Einfluss des Vernetzergehalts signifikant. 6b illustriert, dass die Schließzeit eines Natriumacrylat-Schließelements mit zunehmender Vernetzerkonzentration zunimmt. Dies ist kein Widerspruch zur Aussage von 6a. Das Hydrogel ist trotz höherem D_coop effektiv langsamer, da ein höherer Vernetzergehalt zu einer höheren Vernetzerdichte des Hydrogels führt. Die höhere Vernetzerdichte führt andererseits zu mechanisch stabileren Hydrogelen, sodass die Druckfestigkeit der Schließelemente mit zunehmendem Vernetzergehalt bzw. zunehmender Vernetzungsdichte der Natriumacrylat-Aktoren zunimmt. Neben den chemischen Parametern lässt sich die Schließzeit der Schließelemente auch durch eine konstruktive Größe, nämlich das Verhältnis des Trockenvolumens des Natriumacrylathydrogel-Aktors zum Kammervolumen des Schließelementsitzes einstellen (6c).
Die Öffnungszeiten von Öffnerelementen 7b, 7d und 7e lassen sich ebenfalls durch die Materialwahl voreinstellen (7a). Es gilt, je hydrophiler das gewählte wasserlösliche Polymer, umso schneller löst sich das aktive Element auf. Von großer Bedeutung für die Öffnungszeit ist ein konstruktiver Parameter: die Dicke der aktiven Membranen (7a) bzw. die Länge der Öffnerelemente (7b). Für Membranen eignen sich vorteilhaft Polymere mit einer hohen Glastemperatur. Diese Polymere sind mechanisch stabil und es lassen sich dünne, biegesteife Membranen herstellen. Geeignete Kandidaten mit Glastemperaturen, welche erheblich höher als die Raumtemperatur liegen, sind z.B. Polyvinylalkohol (T_g = 85 °C), Hydroxypropylcellulose (T_g = 105 °C) und Polyacrylsäure (T_g = 105°C. Für die Öffnerelemente 7b und 7d, welche nicht auf Durchbiegung beansprucht werden, können auch bedeutend weichere Materialien, z.B. Polyethylenglykol, verwendet werden. Im Gegensatz zu Schließelementen besitzt die Strömungsgeschwindigkeit der vorbei fließenden Flüssigkeit bedeutenden Einfluss auf die Öffnungszeit von Öffnerelementen. Wie 7b verdeutlicht, öffnen Öffnerelemente bei stagnierender Flüssigkeit sehr langsam. In diesem Fall können sich vor dem Öffnerelement Sättigungszonen aus gelöstem Polymer ausbilden, welche den weiteren Auflöseprozess des Polymers beeinträchtigen. Mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit werden diese Sättigungszonen zerstört und das Polymer löst sich schneller auf. 6c demonstriert am Beispiel eines PEG 6000 Öffnerelements, dass die Standardabweichung von aktiven Elementen 7 bereits mit einfachen mikrotechnischen Labor-Herstellungsmethoden sehr gering gehalten werden können.
Bezugszeichenliste

1: Stufe eines mikrofluidischen, mikrochemomechanischen Systems
2: Strukturträger
2a: Abdeckung/oberer Strukturträger
2b: unterer Strukturträger
2c: mittlerer Strukturträger
3: erster Kanal
4: zweiter Kanal
5: Überlagerungsbereich
6: Reaktionskammer
7: aktives Element
7a: Schließelement
7b: Öffnerelement
7c: Schließelement
7d: Öffnerelement
7e: aktive Membran
7f: aktives wirk- oder andere Stoffe abgebendes Element
8: Bypass
9: erster Reservoirraum
10: zweiter Reservoirraum
11: Depot
12: Zirkulationskanal
13: erste Flüssigkeit
14: zweite Flüssigkeit
15: Zeilenkanal 1
16: Zeilenkanal 2
17: Spaltenkanal 1
18: Spaltenkanal 2
19: dritter Reservoirraum
20: Spaltenkanal 3
21: Spaltenkanal 4

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5224843 [0006]
US 2003/0143122 [0006]
US 5659171 [0006]
US 6536476 [0007]
US 6283718 [0007]
DE 10157317 A1 [0008]
WO 2008/049413 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

R. Pal et al.', Anal. Chem. 16 (2004) 13, S. 3740–3748 [0007]
D.C. Duffy, J.C. McDonald, O.J.A. Schueller, G.M. Whitesides, Anal. Chem. 70 (1998), 4974–4984 [0058]
A., Richter, G. Paschew, Adv. Mater. 21 (2009), 979–983 [0058]

Claims

Mikrofluidisches mikrochemomechanisches System mit integrierten aktiven Elementen (7), welche hilfsenergiefrei durch beeinflussbare Umgebungsgrößen aktivierbar und durch die Änderung ihres Quellungszustandes oder ihrer mechanischen Eigenschaften aktive Funktionen bewirkend, ausgeführt sind, umfassend – zumindest einen Strukturträger (2) mit zumindest einem ersten Kanal (3), – eine Abdeckung (2a), welche den Strukturträger (2) zumindest teilweise abdeckt und – zumindest einen zweiten Kanal (4), wobei der zweite Kanal (4) auf dem Strukturträger (2) oder der Abdeckung (2a) angeordnet ist, wobei die Kanäle (3, 4) jeweils durch aktive Elemente (7) begrenzte Reservoirräume (9, 10, 19) ausbilden, die so angeordnet sind, dass sie zueinander mindestens einen Überlagerungsbereich (5) aufweisen und zusammen eine Reaktionskammer (6) bilden.
Mikrofluidisches mikromechanisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Überlagerungsbereich (5) des ersten und zweiten Kanals (3, 4) eine Membran (7e) zwischen dem ersten und zweiten Kanal (3, 4) angeordnet ist, wodurch die Reaktionskammer (6) in einen ersten Reservoirraum (9) und in einen zweiten Reservoirraum (10) unterteilt wird.
Mikrofluidisches mikromechanisches System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Kanäle (16, 18, 21) vorgesehen sind, wobei in den Überlagerungsbereichen (5) von mehr als zwei Kanälen (16, 18, 21) Membranen (7e) zwischen den zu den Kanälen (16, 18, 21) gehörenden Reservoirräumen (9, 10, 19) angeordnet sind, welche die Reaktionskammer (6) bilden.
Mikrofluidisches mikromechanisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Überlagerungsbereich (5) des ersten und zweiten Kanals (3, 4) ein Öffnerelement (7b, 7d) zwischen dem ersten und zweiten Kanal (3, 4) angeordnet ist, wodurch die Reaktionskammer (6) in einen ersten Reservoirraum (9) und in einen zweiten Reservoirraum (10) unterteilt wird.
Mikrofluidisches mikromechanisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die n Membranen (7e) bzw. die Öffnerelemente (7b, 7d) zwischen erstem, zweitem und gegebenenfalls weiteren Reservoirräumen (9, 10, 19) aus einem flüssigkeitslöslichen Material ausgeführt sind.
Mikrofluidisches mikromechanisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, eine Reaktionskammer (6), umfassend mindestens einen ersten Reservoirraum (9) und einen zweiten, als Depot (11) fungierenden Reservoirraum, wobei im Depot (11) ein aktives Element (7f) angeordnet ist.
Mikrofluidisches mikromechanisches System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Element (7f) im Bodenbereich des Depots (11) als Abgabesystem von Wirk- und/oder anderen Stoffen ausgeführt ist.
Mikrofluidisches mikromechanisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Elemente (7) durch Flüssigkeitsgegenwart als Umgebungsgröße aktivierbar ausgeführt sind.
Mikrofluidisches mikromechanisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Elemente (7) die zeitliche Abfolge sowie das Zeitverhalten der Durchmischung verschiedener Flüssigkeiten (13, 14) festlegend ausgeführt sind.
Mikrofluidisches mikromechanisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Elemente (7) als Quellmittelbarrieren oder flüssigkeitslösliche Barrieren ausgeführt sind.
Mikrofluidisches mikromechanisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Elemente (7) aus Hydrogelen bestehen, die chemisch vernetzt und/oder physikalisch vernetzbar sind.
Mikrofluidisches mikromechanisches System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Elemente (7) aus Hydrogelen bestehen, welche ausgewählt sind aus einer Gruppe vernetzter Polymere, bevorzugt Polyacrylamide, Polyvinylalkohole, Polyacrylate, Hydroxycellulose, Polyvinylpyridine oder Polyglykole, wie Polyethylenglycol, Polypropylenglycol und deren Derivate.
Mikrofluidisches mikromechanisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Elemente (7) aus unvernetzten Polymeren, Salzen und organischen Naturstoffen wie Sacchariden ausgeführt sind.
Verfahren zur mikrofluidischen Prozessführung in einem mikrofluidischen mikromechanischen System nach einem der Ansprüche 1 bis 13 umfassend die Schritte: – Einbringen einer ersten Flüssigkeit (13) in einen ersten Kanal (3) und in einen ersten Reservoirraum (9), – Einbringen einer zweiten Flüssigkeit (14) in einen zweiten Kanal (4) und in einen zweiten Reservoirraum (10), – Verschließen und separieren der Reservoirräume (9, 10) durch aktive Elemente (7a), welche als Quellmittelbarriere ausgeführt sind, und damit verbunden das Quantifizieren der Flüssigkeitsvolumina (13, 14) in den Reservoirräumen (9, 10) – Zusammenschaltung der Reservoirräume (9, 10) zur Reaktionskammer (6) durch Öffnen des aktiven Elements (7e) im Überlagerungsbereich (5) des ersten und zweiten Kanals (3, 4), darauf folgend die Vermischung einer ersten und einer zweiten Flüssigkeit (13, 14) in der Reaktionskammer (6), welche im Überlagerungsbereich (6) des ersten und zweiten Kanals (3, 5) ausgebildet wird, wobei die zeitliche Abfolge der Vermischung der ersten und zweiten Flüssigkeit (13, 14) in der Reaktionskammer (6) durch die Eigenschaften des aktiven Elements (7e) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Abfolge der Vermischung der ersten und zweiten Flüssigkeit (14, 15) in der Kammer (6) durch die aktiven Elemente (7), welche flüssigkeitslöslich oder als Quellmittelbarriere ausgeführt sind, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, weiterhin umfassend: – Auflösung einer flüssigkeitslöslichen Membran (7e), welche die Kammer (6) in einen ersten Reservoirraum (9) und in einen zweiten Reservoirraum (10) unterteilt, durch die erste und zweite Flüssigkeit (13, 14) vor der Vermischung der ersten und zweiten Flüssigkeit (13, 14).
Verwendung eines mikrofluidischen mikromechanischen Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Durchführung von Prozessen auf Basis von Antigen-Antikörper-Reaktionen, Durchführung von Prozessen auf Basis der Kulturmethode, Kontrolle und/oder Detektion von Prozessen auf Basis einer Polymerasekettenreaktion und Detektion von Enzymaktivität eines biochemischen Prozesses.