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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Leiten von Fluid in einem mikrofluidischen System, auf ein mikrofluidisches System und auf ein Verfahren zum Leiten von Fluid in einem mikrofluidischen System. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet analytischer Systeme, sogenannter Chiplabors bzw. Westentaschenlabors (LoC bzw. Lab on Chip), beispielsweise mikrofluidischer Lab-on-Chip-Systeme z. B. zur Umweltanalytik oder medizinischen Diagnostik.
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In druckgetriebenen LoC-Systemen wird eine zu untersuchende Probe beispielsweise in einzelnen, miteinander verschalteten Funktionsbereichen prozessiert. Mittels mikrofluidischer Kanäle beispielsweise wird die Probe zwischen einzelnen Bereichen transferiert. Zur Steuerung der Probe und anderer Flüssigkeiten können insbesondere integrierte Ventile, z.B. Membranventile oder Drehventile, und integrierte Membranpumpen zum Einsatz kommen.
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Die
US 2012/0100630 A1 offenbart eine Mischeinrichtung ohne Totvolumen und ein Verfahren zum Mischen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden eine verbesserte Vorrichtung zum Leiten von Fluid in einem mikrofluidischen System, ein verbessertes mikrofluidisches System und ein verbessertes Verfahren zum Leiten von Fluid in einem mikrofluidischen System gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann insbesondere eine totvolumenfreie Mikrofluidik – z. B. eine Struktur für einen fluidischen Kanal, eine Struktur für eine fluidische Kapazität, eine Struktur für eine blasenfreie Zusammenführung von Flüssigkeiten und/oder eine Struktur für druckgesteuerte Ventile – mittels eines polymeren Schichtaufbaus realisiert werden, bei dem beispielsweise eine elastische Polymermembran durch Schweißbahnen auf einem planaren Polymersubstrat befestigt sein kann. Ein solcher Aufbau kann beispielsweise einen totvolumenfreien mikrofluidischen Kanal definieren, bei dem im Normalzustand die Membran in physikalischem Kontakt mit dem Polymersubstrat stehen kann, also ein Kanal mit einem Volumen von Null vorliegt. Wird ein an den Kanal angrenzendes Fluid mit Druck beaufschlagt, kann sich die Membran deformieren und kann das Fluid durch den so ausgeformten Kanal bewegt werden.
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Vorteilhafterweise ermöglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durch geeignete Strukturen bzw. Prozessabläufe eine Minimierung von Totvolumina in Membran-basierten mikrofluidischen Lab-on-Chip-Systemen (LoC-Systemen). Insbesondere ist eine Realisierung von totvolumenfreien mikrofluidischen Kanälen und dergleichen ermöglicht. So können Flüssigkeitsverluste in mikrofluidischen Kanälen bzw. Strukturen reduziert werden. Somit kann eine Erhöhung einer Sensitivität eines analytischen Systems erreicht werden, da Teile einer Probe nicht mehr in Kanälen verbleiben. Totvolumenfreie Kanäle bzw. Strukturen können ein Einbringen von Luftblasen in Flüssigkeiten verhindern und so zum Beispiel ein blasenfreies Mischen von zwei Flüssigkeiten ermöglichen. Werden zum Bewegen des Fluids integrierte Pumpen, z. B. Membranpumpen, verwendet, so kann durch totvolumenfreie Strukturen ein Kompressionsverhältnis der Pumpen und damit eine Pumpleistung erhöht werden. Durch eine Vorspannung solcher Kanäle bzw. Strukturen können Fluide druckgesteuert geschaltet werden, z. B. für eine Aliquotierung oder eine fluidische Kapazität. So ist gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bei entsprechender Rückstellkraft der Membran eine Realisierung von fluidischen Kapazitäten möglich. Es können beispielsweise separat angesteuerte Ventile eingespart werden und so kann eine Komplexität einer Ansteuerung eines Lab-on-Chip-Systems verringert werden.
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Sogenannte Chiplabors oder Lab-on-Chip-Systeme bzw. LoC-Systeme erlauben eine miniaturisierte und integrierte Durchführung komplexer fluidischer Arbeitsabläufe beispielsweise für einen spezifischen Nachweis verschiedenster Moleküle. In druckgetriebenen LoC-Systemen kann eine zu untersuchende Probe in einzelnen miteinander verschalteten Funktionsbereichen prozessiert werden. Mittels mikrofluidischer Kanäle oder dergleichen kann eine Probe zwischen einzelnen Bereichen transferiert werden. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann verhindert werden, dass dabei ein Teil einer Probenlösung aufgrund von Totvolumen in Kanälen verbleibt und somit nicht mehr für eine Analyse zur Verfügung steht. Somit kann eine analytische Sensitivität des Systems erhöht werden. Auch kann vermieden werden, dass aus einem Totvolumen, das initial mit Luft befüllt ist, Luftblasen in die Probe oder in andere für die Analyse benötigte Flüssigkeiten, z. B. Reagenzien, Puffer etc., gelangen, was eine weitere Handhabung erschweren würde.
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Eine Vorrichtung zum Leiten von Fluid in einem mikrofluidischen System weist folgende Merkmale auf:
ein Trägersubstrat mit einer Fluidleitungsoberfläche;
eine Membran mit einem ersten Teilabschnitt und einem von dem ersten Teilabschnitt räumlich getrennten, zweiten Teilabschnitt, wobei die Membran in dem ersten Teilabschnitt stoffschlüssig oder kraftschlüssig mit der Fluidleitungsoberfläche des Trägersubstrats verbunden ist, wobei die Membran ausgebildet ist, um zwischen einem entspannten Zustand, in dem der zweite Teilabschnitt der Membran an der Fluidleitungsoberfläche des Trägersubstrats anliegend angeordnet ist, und einem ausgelenkten Zustand, in dem der zweite Teilabschnitt der Membran von der Fluidleitungsoberfläche des Trägersubstrats durch einen Fluidleitungszwischenraum beabstandet angeordnet ist, elastisch verformbar zu sein; und
ein Decksubstrat, das an oder relativ zu dem Trägersubstrat angebracht ist, wobei die Membran zumindest teilweise zwischen dem Decksubstrat und dem Trägersubstrat angeordnet ist.
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Die Vorrichtung kann als ein Teil eines mikrofluidischen Systems ausgeformt sein. Das mikrofluidische System kann insbesondere ein sogenanntes Chiplabor bzw. Westentaschenlabor oder Lab-on-Chip-System bzw. LoC-System sein. Das Trägersubstrat kann zwei Hauptoberflächen aufweisen, von denen eine die Fluidleitungsoberfläche ist. Der erste Teilabschnitt und der zweite Teilabschnitt der Membran können jeweils eine zusammenhängende Region bzw. Fläche oder zumindest teilweise isolierte bzw. verteilte Teilregionen der Membran aufweisen. Die Membran kann fluiddicht ausgeformt sein. Eine stoffschlüssige Verbindung der Membran mit dem Trägersubstrat kann beispielsweise mittels Laserschweißen oder Kleben realisiert sein. Im entspannten Zustand kann der zweite Teilabschnitt der Membran an der Fluidleitungsoberfläche des Trägersubstrats anliegend und/oder in einer Ebene mit der Fluidleitungsoberfläche des Trägersubstrats angeordnet sein. Der im ausgelenkten Zustand der Membran vorliegende Fluidleitungszwischenraum kann ausgebildet sein, um das Fluid in demselben zu leiten. Das Decksubstrat kann zumindest teilflächig an dem Trägersubstrat angebracht sein. Dabei kann das Decksubstrat zumindest teilweise an der Membran anliegen. Fluid kann hierbei zwischen der Membran und dem Trägersubstrat speichermäßig bzw. zwischenspeichermäßig angeordnet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der erste Teilabschnitt der Membran parallel oder schräg zueinander angeordnete Verbindungsbereiche aufweisen, an denen eine stoffschlüssige oder kraftschlüssige Verbindung der Membran mit dem Trägersubstrat vorliegen kann und zwischen denen der zweite Teilabschnitt der Membran als ein Fluidkanalbereich angeordnet sein kann. Beispielsweise können dabei ein erster Verbindungsbereich und ein zweiter Verbindungsbereich parallel oder schräg zueinander angeordnet sein, wobei ein Fluidkanalbereich zwischen den beiden Verbindungsbereichen angeordnet ist. Hierbei können die Verbindungsbereiche laterale Begrenzungsabschnitte des Fluidkanalbereichs repräsentieren. Auch kann ein Verbindungsbereich vorgesehen sein, der sich entlang eines Teils eines Umfangs eines Ringes oder dergleichen erstreckt. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass Fluidkanäle oder auch andere Strukturen zum Leiten bzw. Führen von Fluid auf besonders einfach zu realisierende Weise und flexibel an die beabsichtigte Anwendung anpassbar ausgeformt werden können.
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Ferner kann das Decksubstrat zumindest eine Durchgangsöffnung zum Anlegen von Druck an den zweiten Teilabschnitt der Membran aufweisen. Durch die Durchgangsöffnung hindurch kann eine Teilfläche des zweiten Teilabschnitts der Membran freiliegend angeordnet sein. Somit ist die Durchgangsöffnung ausgebildet, um zum Verformen der Membran das Anlegen von Druck an den zweiten Teilabschnitt der Membran und somit auch an ein Fluid zu ermöglichen, um das Fluid per Druck mittels der Vorrichtung zu bewegen bzw. zu leiten. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein Druck zum Leiten von Fluid auf einfache und fluidverunreinigungsfreie Weise über die Membran aufgebaut werden kann, ohne dass beispielsweise eine Pumpe oder dergleichen in Kontakt mit Fluid gebracht zu werden braucht.
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Zudem kann das Trägersubstrat zumindest einen Reservoirabschnitt zum Beinhalten von Fluid aufweisen. Hierbei kann der zumindest eine Reservoirabschnitt angrenzend an den ersten Teilabschnitt der Membran ausgeformt sein. Auch kann dabei der zumindest eine Reservoirabschnitt durch den zweiten Teilabschnitt der Membran überspannt sein. Der zumindest eine Reservoirabschnitt kann hierbei durch eine Teilfläche des zweiten Teilabschnitts der Membran überspannt sein. Insbesondere können der zumindest eine Reservoirabschnitt und ein durch die Membran und das Trägersubstrat ausgebildeter Fluidkanalbereich aneinander angrenzend oder zueinander benachbart angeordnet sein. Der zumindest eine Reservoirabschnitt kann als eine Vertiefung in der Fluidleitungsoberfläche ausgeformt sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass in dem zumindest einen Reservoirabschnitt eine genau definierbare Fluidmenge auf einfache Weise in der Vorrichtung speicherbar oder zwischenspeicherbar sein kann.
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Hierbei kann das Decksubstrat im Bereich des zumindest einen Reservoirabschnitts des Trägersubstrats zumindest eine Durchgangsöffnung zum Anlegen von Druck an den zweiten Teilabschnitt der Membran aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein Druck zum Leiten von in dem zumindest einen Reservoirabschnitt speicherbaren Fluid auf einfache Weise über die Membran aufgebaut werden kann, ohne dass beispielsweise eine Pumpe oder dergleichen in Kontakt mit Fluid gebracht zu werden braucht. So kann eine Verunreinigung des Fluids beim Anlegen von Druck vermieden werden und kann ein Transport des Fluids aus dem zumindest einen Reservoirabschnitt vereinfacht erfolgen.
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Auch kann zwischen dem Trägersubstrat und dem Decksubstrat zumindest ein Zwischenraum angeordnet sein, in den der zweite Teilabschnitt der Membran auslenkbar sein kann. Der zumindest eine Zwischenraum kann durch eine Vertiefung in dem Decksubstrat gebildet sein. Dabei kann der zumindest eine Zwischenraum länglich bzw. als ein Kanal ausgeführt sein. Insbesondere kann der zumindest eine Zwischenraum sich entlang einem durch die Membran und das Trägersubstrat ausgebildeten Fluidkanalbereich erstrecken. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass in dem zumindest einen Zwischenraum ein Auslenken der Membran definiert und geschützt erfolgen kann.
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Dabei kann das Decksubstrat eine Belüftungsöffnung zum Belüften des zumindest einen Zwischenraums und zusätzlich oder alternativ zum Anlegen von Druck an den zumindest einen Zwischenraum aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein Rückstellen der Membran von dem ausgelenkten Zustand in dem entspannten Zustand und somit auch ein Leiten von Fluid vereinfacht werden kann, indem der zumindest eine Zwischenraum belüftbar oder mit Druck beaufschlagbar ist. Insbesondere kann durch ein Anlegen von Druck die Rückstellkraft der Membran unterstützt und im Fluidleitungsbereich ein höherer Druck aufgebaut werden.
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Insbesondere kann die Membran zumindest teilflächig in dem ersten Teilabschnitt und zusätzlich oder alternativ dem zweiten Teilabschnitt stoffschlüssig oder kraftschlüssig mit dem Decksubstrat verbunden sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass Verbindungsbereiche bzw. Stellen einer stoffschlüssigen oder kraftschlüssigen Verbindung der Membran mit dem Trägersubstrat entlastet werden können, indem die Membran stellenweise zwischen dem Trägersubstrat und dem Decksubstrat geklemmt angeordnet ist.
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Auch kann das Trägersubstrat einen Reservoirabschnitt zum Beinhalten von Fluid aufweisen. Hierbei kann der Reservoirabschnitt angrenzend an den ersten Teilabschnitt der Membran ausgeformt sein, wobei der zumindest eine Reservoirabschnitt durch den zweiten Teilabschnitt der Membran überspannt sein kann. Dabei kann zwischen dem Trägersubstrat und dem Decksubstrat ein Zwischenraum angeordnet sein, in den der zweite Teilabschnitt der Membran auslenkbar sein kann. Hierbei kann der Zwischenraum als ein in den Reservoirabschnitt mündender Blindkanal ausgeformt sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass mittels der Vorrichtung eine fluidische Kapazität bereitgestellt werden kann.
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Ferner kann das Trägersubstrat einen Reservoirabschnitt zum Beinhalten von Fluid und zumindest einen weiteren Reservoirabschnitt zum Aufnehmen von Fluid aufweisen. Hierbei können die Reservoirabschnitte angrenzend an den ersten Teilabschnitt der Membran ausgeformt sein, wobei die Reservoirabschnitte durch den zweiten Teilabschnitt der Membran überspannt sein können. Dabei kann zwischen dem Trägersubstrat und dem Decksubstrat zumindest ein Zwischenraum angeordnet sein, in den der zweite Teilabschnitt der Membran auslenkbar sein kann. Hierbei kann der zumindest eine Zwischenraum als eine die Reservoirabschnitte verbindende Fluidkanaleinrichtung ausgeformt sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Vorrichtung zum Aliquotieren verwendbar bzw. einsetzbar ist.
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Dabei kann der zumindest eine Zwischenraum einen Verzweigungskanal, in den der Reservoirabschnitt einmündet, und mindestens zwei in zumindest zwei weitere Reservoirabschnitte einmündende Fluidkanalbereiche aufweisen, in die sich der Verzweigungskanal verzweigt. Hierbei können die Fluidkanalbereiche eine voneinander unterschiedliche Breite aufweisen. Aufgrund der unterschiedlichen Breite der Fluidkanalbereiche kann eine Steifigkeit der Membran in diesen Bereichen verschieden sein und eine Auslenkung der jeweiligen zweiten Teilabschnitte der Membran in Abhängigkeit von einem Druckgradienten zwischen dem Reservoirabschnitt und den weiteren Reservoirabschnitten bzw. Nebenkammern stehen. Dies hat den Vorteil, dass eine Ansteuerung vereinfacht wird und zum Beispiel Ventile an Eingängen zu den Fluidkanalbereichen eingespart werden können.
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Ein mikrofluidisches System weist zumindest eine Ausführungsform der vorstehend genannten Vorrichtung zum Leiten von Fluid auf, wobei die zumindest eine Vorrichtung als ein mikrofluidischer Kanal, eine fluidische Kapazität, eine Speichereinrichtung, eine Transporteinrichtung, eine Mischeinrichtung, eine Trenneinrichtung und/oder eine Ventileinrichtung in dem mikrofluidischen System fungiert.
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In Verbindung mit dem vorstehend genannten mikrofluidischen System kann eine Ausführungsform der vorstehend genannten Vorrichtung zum Leiten von Fluid vorteilhaft eingesetzt bzw. verwendet werden. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines mikrofluidischen Systems kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Ein Verfahren zum Leiten von Fluid in einem mikrofluidischen System, wobei das Verfahren in Verbindung mit einer Vorrichtung ausführbar ist, die ein Trägersubstrat mit einer Fluidleitungsoberfläche, eine Membran mit einem ersten Teilabschnitt und einem von dem ersten Teilabschnitt räumlich getrennten, zweiten Teilabschnitt, wobei die Membran in dem ersten Teilabschnitt stoffschlüssig oder kraftschlüssig mit der Fluidleitungsoberfläche des Trägersubstrats verbunden ist, wobei die Membran ausgebildet ist, um zwischen einem entspannten Zustand, in dem der zweite Teilabschnitt der Membran an der Fluidleitungsoberfläche des Trägersubstrats anliegend angeordnet ist, und einem ausgelenkten Zustand, in dem der zweite Teilabschnitt der Membran von der Fluidleitungsoberfläche des Trägersubstrats durch einen Fluidleitungszwischenraum beabstandet angeordnet ist, elastisch verformbar zu sein, und ein Decksubstrat aufweist, das an oder relativ zu dem Trägersubstrat angebracht ist, wobei die Membran zumindest teilweise zwischen dem Decksubstrat und dem Trägersubstrat angeordnet ist, weist folgende Schritte auf:
Anordnen von Fluid zwischen der Membran und dem Trägersubstrat; und
Anlegen von Druck über die Membran an das Fluid, um den zweiten Teilabschnitt der Membran in den ausgelenkten Zustand zu versetzen und das Fluid durch den Fluidleitungszwischenraum zu leiten.
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Das vorstehend genannte Verfahren zum Leiten von Fluid in einem mikrofluidischen System kann in Verbindung mit einer Ausführungsform der vorstehend genannten Vorrichtung zum Leiten von Fluid vorteilhaft ausgeführt werden. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Verfahrens kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 bis 10 Darstellungen von Vorrichtungen zum Leiten von Fluid in einem mikrofluidischen System gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und
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11 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Leiten von Fluid in einem mikrofluidischen System gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung 100 zum Leiten von Fluid in einem mikrofluidischen System gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind von der Vorrichtung 100 in der Darstellung von 1 hierbei ein Trägersubstrat 110, ein Reservoirabschnitt 112 bzw. eine Kammer, ein Decksubstrat 120, eine Durchgangsöffnung 122 bzw. ein Durchloch, ein Kanal 124 bzw. ein dadurch ausgeformter Zwischenraum, eine elastische Membran 130 und Verbindungsbereiche 132. Ferner gezeigt ist ein Fluid F, hier beispielsweise eine Flüssigkeit, die in dem Reservoirabschnitt 112 angeordnet ist. Die Vorrichtung 100 ist als ein Teil eines mikrofluidischen Systems vorgesehen, auch wenn dies in 1 nicht explizit erkennbar ist.
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Die Membran 130 ist zwischen dem Trägersubstrat 110 und dem Decksubstrat 120 angeordnet. Die Membran 130 ist elastisch verformbar ausgeführt. Das Trägersubstrat 110 und das Decksubstrat 120 sind gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hierbei Polymersubstrate.
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Das Trägersubstrat 110 weist den Reservoirabschnitt 112 auf. Der Reservoirabschnitt 112 ist zum Beinhalten von Fluid F bzw. der Flüssigkeit ausgebildet. Eine Hauptoberfläche des Trägersubstrats 110, die dem Decksubstrat 120 zugewandt ist, repräsentiert eine Fluidleitungsoberfläche. Der Reservoirabschnitt 112 ist als eine Vertiefung in dem Trägersubstrat 110 ausgeformt. Genau gesagt ist der Reservoirabschnitt 112 als eine Vertiefung in der Fluidleitungsoberfläche des Trägersubstrats 110 ausgeformt. Der Reservoirabschnitt 112 ist durch die Membran 130 abgedeckt bzw. verschlossen bzw. abgedichtet. In dem Reservoirabschnitt 112 ist das Fluid F bzw. die Flüssigkeit angeordnet.
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Die Membran 130 weist einen ersten Teilabschnitt und einen von dem ersten Teilabschnitt räumlich getrennten, zweiten Teilabschnitt auf. Dabei ist die Membran 130 in dem ersten Teilabschnitt stoffschlüssig in den Verbindungsbereichen 132 mit der Fluidleitungsoberfläche des Trägersubstrats 110 verbunden. Die Membran 130 ist ausgebildet, um zwischen einem entspannten Zustand (in 1 gezeigt), in dem der zweite Teilabschnitt der Membran 130 an der Fluidleitungsoberfläche des Trägersubstrats 110 anliegend angeordnet ist, und einem ausgelenkten Zustand, in dem der zweite Teilabschnitt der Membran 130 von der Fluidleitungsoberfläche des Trägersubstrats 110 durch einen Fluidleitungszwischenraum beabstandet angeordnet ist, elastisch verformbar zu sein. Die Membran 130 ist in den Kanal 124 auslenkbar.
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Der erste Teilabschnitt der Membran 130 weist die Verbindungsbereiche 132 auf. Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Membran 130 in dem ersten Teilabschnitt bzw. in den Verbindungsbereichen 132 mit dem Trägersubstrat 110 und mit dem Decksubstrat 120 beispielsweise mittels Laserschweißen verbunden. Die Teilabschnitte der Membran 130 und die Verbindung zwischen der Membran 130 und dem Trägersubstrat 110 sowie zusätzlich oder alternativ dem Decksubstrat 120 sind nachfolgend noch detaillierter beschrieben.
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Das Decksubstrat 120 ist an oder relativ zu dem Trägersubstrat 110 angebracht. Dabei ist die Membran 130 zumindest teilweise zwischen dem Decksubstrat und dem Trägersubstrat angeordnet. Das Decksubstrat 120 weist die Durchgangsöffnung 122 auf. Die Durchgangsöffnung 122 ist im Bereich des Reservoirabschnitts 112 des Trägersubstrats 110 angeordnet. Somit liegt die Membran 130 im Bereich der Durchgangsöffnung 122 von der Seite des Decksubstrats 120 her frei. Die Durchgangsöffnung 122 dient zum Anlegen von Druck an die Membran 130 im Bereich des Reservoirabschnitts 112.
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Auch weist das Decksubstrat 120 den Kanal 124 auf. Der Kanal 124 ist als eine Vertiefung in einer dem Trägersubstrat 110 zugewandten Hauptoberfläche des Decksubstrats 120 ausgeformt. Im Bereich des Kanals 124 ist zwischen dem Decksubstrat 120 und der Membran 130 ein Zwischenraum angeordnet. Der Kanal 124 erstreckt sich in einem Endabschnitt desselben teilweise über den Reservoirabschnitt 112, wobei somit der Kanal 124 und der Reservoirabschnitt 112 eine partielle Überlappung miteinander aufweisen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Decksubstrat 120 eine Belüftungsöffnung zum Belüften und/oder zum Anlegen von Druck an den durch den Kanal 124 ausgebildeten Zwischenraum auf.
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Zwischen dem Kanal 124 und der Durchgangsöffnung 122 weist das Decksubstrat 120 einen unvertieften Abschnitt der dem Trägersubstrat 110 zugewandten Hauptoberfläche auf. In dem unvertieften Abschnitt ist die Membran 130 gegen das Decksubstrat 120 anliegend angeordnet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Membran 130 stoffschlüssig mit dem unvertieften Abschnitt des Decksubstrats 120 verbunden.
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Anders ausgedrückt zeigt 1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 in dem entspannten Zustand der Membran 130. Somit ist an der Durchgangsöffnung 122 kein Druck an die Membran 130 angelegt. Die Vorrichtung 100 weist einen Schichtaufbau auf, der unter anderem aus dem Trägersubstrat 110 bzw. einem ersten Polymersubstrat mit dem Reservoirabschnitt 112 bzw. der Kammer besteht, die das Fluid F bzw. eine Flüssigkeit enthält. Ferner ist zwischen dem Trägersubstrat 110 bzw. dem ersten Polymersubstrat und dem Decksubstrat 120 bzw. einem zweiten Polymersubstrat die elastische Membran 130 angeordnet, welche ausgebildet ist, um das Fluid F bzw. die Flüssigkeit aus dem Reservoirabschnitt 112 zu verdrängen, wenn ein Druck bzw. Überdruck an die Membran 130 über die Durchgangsöffnung 122 angelegt ist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Membran 130 in dem ersten Teilabschnitt kraftschlüssig mit dem Trägersubstrat 110 und zusätzlich oder alternativ mit dem Decksubstrat 120 verbunden.
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2 zeigt eine schematische Ansicht der Vorrichtung 100 aus 1. Hierbei ist die Vorrichtung 100 in einer partiell transparenten Draufsicht dargestellt, wobei das Trägersubstrat, die Membran und das Decksubstrat an sich in einem gemeinsamen Umriss lediglich angedeutet sind. In 2 sind von der Vorrichtung 100 dabei der Reservoirabschnitt 112, der Kanal 132 und die Verbindungsbereiche 132 gezeigt. Dabei erstrecken sich die Verbindungsbereiche 132 entlang dem Kanal 124 sowie um den Reservoirabschnitt 112 herum.
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Hierbei weist der erste Teilabschnitt der Membran parallel oder schräg zueinander angeordnete Verbindungsbereiche 132 auf, an denen die stoffschlüssige Verbindung der Membran mit dem Trägersubstrat vorliegt und zwischen denen der zweite Teilabschnitt der Membran als ein Fluidkanalbereich angeordnet ist. Auch wenn es in 2 darstellungsbedingt nicht erkennbar ist, so ist die Membran an den Verbindungsbereichen 132 auch mit dem Decksubstrat stoffschlüssig verbunden. Dabei ist der Reservoirabschnitt 112 angrenzend an den ersten Teilabschnitt der Membran ausgeformt. Auch ist der Reservoirabschnitt 112 angrenzend an den Fluidkanalbereich bzw. die den Fluidkanalbereich begrenzenden Verbindungsbereich 132 ausgeformt. Der Reservoirabschnitt 112 ist durch eine Teilfläche des zweiten Teilabschnitts der Membran überspannt.
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Anders ausgedrückt zeigt 2 das Decksubstrat bzw. das zweite Polymersubstrat mit dem Kanal 124 und das Trägersubstrat mit dem Reservoirabschnitt 112 sowie die Membran, die beispielsweise mittels Laserschweißen einer durch die Verbindungsbereiche 132 definierten Kontur an dem Trägersubstrat stoffschlüssig fixiert ist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Membran zumindest teilflächig in dem ersten Teilabschnitt und zusätzlich oder alternativ in dem zweiten Teilabschnitt stoffschlüssig oder kraftschlüssig mit dem Decksubstrat verbunden.
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3 zeigt eine schematische Schnittansicht der Vorrichtung 100 aus 1 bzw. 2 einem ausgelenkten Zustand der Membran 130. Gezeigt sind von der Vorrichtung 100 in der Darstellung von 3 hierbei das Trägersubstrat 110, der Reservoirabschnitt 112 bzw. die Kammer, das Decksubstrat 120, die Durchgangsöffnung 122 bzw. das Durchloch, der Kanal 124, die elastische Membran 130 und die Verbindungsbereiche 132. Ferner gezeigt ist das Fluid F bzw. die Flüssigkeit, die in dem Reservoirabschnitt 112 und in dem Fluidleitungszwischenraum bzw. in dem Fluidkanalbereich angeordnet ist. Auch sind in 3 eine erste Schnittlinie A-A‘ durch das Trägersubstrat 110, die Membran 130, den Kanal 124 und das Decksubstrat 120 im Bereich des mit Fluid F bzw. Flüssigkeit gefüllten Fluidleitungszwischenraums bzw. im Bereich des ausgelenkten zweiten Teilabschnitts der Membran 130 und eine zweite Schnittlinie B-B‘ durch das Trägersubstrat 110, die Membran 130, den Kanal 124 und das Decksubstrat 120 im Bereich des unausgelenkten zweiten Teilabschnitts der Membran 130 dargestellt.
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Die Membran 130 ist in 3 in dem ausgelenkten Zustand derselben gezeigt. Dabei ist über die Durchgangsöffnung 122 des Decksubstrats 120 ein Überdruck an die Membran 130 angelegt. Zumindest ein Teilvolumen des Fluids F bzw. der Flüssigkeit ist hierbei durch die mit Überdruck beaufschlagte Membran 130 aus dem Reservoirabschnitt 112 in den Fluidleitungszwischenraum zwischen dem zweiten Teilabschnitt der Membran 130 und dem Trägersubstrat 110 verdrängt. Es ist in 3 dargestellt, dass die auslenkte Membran 130 das Fluid F bzw. die Flüssigkeit in den Kanal 124 verdrängt. Hierbei formt sich für die Zeit des Anliegens des Überdruckes an der Membran 130 über die Durchgangsöffnung 122 der Fluidleitungszwischenraum im Bereich des Kanals 124 für einen Transport des Fluids F bzw. der Flüssigkeit aus. Gegen den unvertieften Abschnitt des Decksubstrats 120 ist die Membran 130 hierbei in Anlage angeordnet.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der zwischen der Membran 130 und dem Decksubstrat 120 angeordnete und fluidfreie bzw. flüssigkeitsfreie Bereich des Kanals 124, beispielsweise über eine Belüftungsöffnung, gegen Atmosphäre belüftet. In diesem Fall wird der Kanal 124 nach Hindurchleiten des Fluids F bzw. der Flüssigkeit mittels einer Rückstellkraft der Membran 130 in den Ursprungszustand überführt, wobei die Membran 130 in den entspannten Zustand zurückgekehrt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Kanal 124 luftdicht abgeschlossen. Beim Auslenken der Membran 130 wird dadurch ein Überdruck in dem Kanal 124 aufgebaut. Dies hat den Vorteil, dass ein Ausdrücken des Fluidleitungszwischenraums effizienter erfolgt und der Verlust von Fluid F bzw. Flüssigkeit besser vermieden wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist über eine Belüftungsöffnung an den Kanal 124 ein externer Überdruck anlegbar. Dies hat den Vorteil, dass das Ausdrücken des Fluidleitungszwischenraums noch effizienter und schneller erfolgt.
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4A zeigt eine schematische Schnittansicht der Vorrichtung 100 aus 3 entlang der ersten Schnittlinie A-A‘ aus 3. Gezeigt sind von der Vorrichtung 100 in der Darstellung von 4A hierbei das Trägersubstrat 110, das Decksubstrat 120, der Kanal 124, die elastische Membran 130 und die Verbindungsbereiche 132. Ferner gezeigt ist das Fluid F bzw. die Flüssigkeit in dem Fluidkanalbereich bzw. Fluidleitungszwischenraum. In 4A ist der mit Fluid F bzw. Flüssigkeit gefüllte Fluidleitungszwischenraum zwischen der Membran 130 und dem Trägersubstrat 110 im ausgelenkten Zustand des zweiten Teilabschnitts der Membran 130 erkennbar.
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4B zeigt eine schematische Schnittansicht der Vorrichtung 100 aus 3 entlang der zweiten Schnittlinie B-B‘ aus 3. Gezeigt sind von der Vorrichtung 100 in der Darstellung von 4B hierbei das Trägersubstrat 110, das Decksubstrat 120, der Kanal 124, die elastische Membran 130 und die Verbindungsbereiche 132. In 4B ist der an der Fluidleitungsoberfläche des Trägersubstrats 110 anliegende zweite Teilabschnitt der Membran 130 im entspannten Zustand des zweiten Teilabschnitts der Membran 130 erkennbar.
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5 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung 100 zum Leiten von Fluid in einem mikrofluidischen System gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind von der Vorrichtung 100 in der Darstellung von 5 hierbei ein Trägersubstrat 110, ein Reservoirabschnitt 112 bzw. eine Kammer, ein Decksubstrat 120, eine Durchgangsöffnung 122 bzw. ein Durchloch, ein Kanal 124, eine elastische Membran 130 und Verbindungsbereiche 132. Dabei entsprechen die Vorrichtung 100 und die Darstellung in 5 der Vorrichtung bzw. der Darstellung aus 3 mit der Ausnahme, dass der Kanal 124 in Gestalt eines Blindkanals bzw. eines Sackgassenkanals bzw. Dead-End-Kanals ausgeformt ist. Ferner gezeigt ist in 5 Fluid F bzw. Flüssigkeit, die in dem Reservoirabschnitt 112 und in dem Fluidleitungszwischenraum bzw. in dem Fluidkanalbereich angeordnet ist. Der Kanal 124 ist hierbei in einem ersten Endbereich zu dem Reservoirabschnitt 112 hin offen und in einem zweiten von dem Reservoirabschnitt 112 abgewandten Endbereich geschlossen ausgeformt.
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Anders ausgedrückt zeigt 5 die Vorrichtung 100 in einer Funktion als fluidische Kapazität durch die Realisierung des Kanals 124 in Gestalt des Blindkanals. Der Aufbau der Vorrichtung 100 entspricht hierbei jenem der Vorrichtung aus den 1 bis 4B mit dem Unterschied, dass hier der Kanal 124 keinen Auslass aufweist und auch nicht belüftet ist. Wird an die Durchgangsöffnung 122 ein Überdruck angelegt, so wird das Fluid F bzw. die Flüssigkeit 3 aus dem Reservoirabschnitt 112 in den Kanal 124 verdrängt. Wenn die Durchgangsöffnung 122 wieder auf Normaldruck gebracht wird, so wird die in dem Kanal 124 befindliche Flüssigkeit durch die Rückstellkraft der Membran 130 wieder in den Reservoirabschnitt 112 überführt.
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6 zeigt eine schematische Draufsicht einer Vorrichtung 100 zum Leiten von Fluid in einem mikrofluidischen System gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind von der Vorrichtung 100 in der Darstellung von 6 hierbei ein Reservoirabschnitt 112 bzw. eine erste Kammer, Verbindungsbereiche 132 und ein weiterer Reservoirabschnitt 612 bzw. eine zweite Kammer. Dabei ist die Vorrichtung 100 in 6 der Vorrichtung aus den 1 bis 4B grundsätzlich ähnlich.
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Die Verbindungsbereiche 132 erstrecken sich in Gestalt zweier Schweißnähte der Membran zwischen dem Reservoirabschnitt 112 und dem weiteren Reservoirabschnitt 612. Zwischen den Verbindungsbereichen 132 ist ein Fluidkanalbereich der Membran ausgebildet, der eine Fluidverbindung zwischen dem Reservoirabschnitt 112 und dem weiteren Reservoirabschnitt 612 ermöglicht. Dabei erstrecken sich ein erster der Verbindungsbereiche 132 und ein zweiter der Verbindungsbereich 132 schräg relativ zueinander. Insbesondere vergrößert sich ein Abstand zwischen den Verbindungsbereichen 132 von dem Reservoirabschnitt 112 zu dem weiteren Reservoirabschnitt 612 hin.
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Die Vorrichtung 100 ist gemäß dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgebildet, um einen unidirektionalen Transport von Fluid bzw. Flüssigkeit zwischen dem Reservoirabschnitt 112 und dem weiteren Reservoirabschnitt 612 mittels des Fluidkanalbereichs als totvolumenfreier Kanal zu ermöglichen. Dadurch, dass die Verbindungsbereiche 132 bzw. Schweißbahnen des Fluidkanalbereichs nicht parallel, sondern schräg zueinander verlaufen, also gekippt zueinander verlaufen, liegt über der ausgelenkten Membran zwischen den Reservoirabschnitten 112 und 612 ein Spannungsgradient an. Beispielsweise können die Verbindungsbereiche 132 in einem Winkelbereich von 1° bis 40°, insbesondere von 3° bis 30° zueinander ausgerichtet sein. Der Spannungsgradient stellt sich aufgrund der Verkippung (Winkel) der Schweißbahnen 132, Eigenschaften wie Elastizität der Membran und angelegter Druck ein..Dadurch wird noch im Fluidkanalbereich verbliebenes Fluid bzw. Flüssigkeit durch die Rückstellkraft der Membran vorzugsweise in den weiteren Reservoirabschnitt 612 geleitet bzw. überführt.
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7 zeigt eine schematische Draufsicht einer Vorrichtung 100 zum Leiten von Fluid in einem mikrofluidischen System gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind von der Vorrichtung 100 in der Darstellung von 7 hierbei ein Reservoirabschnitt 112 bzw. eine Hauptkammer, Verbindungsbereiche 132, eine erste Nebenkammer 712A, eine zweite Nebenkammer 712B, eine dritte Nebenkammer 712C, ein Verzweigungskanal 724, ein erster Fluidkanalbereich 724A, ein zweiter Fluidkanalbereich 724B und ein dritter Fluidkanalbereich 724C. Dabei ist die Vorrichtung 100 in 7 der Vorrichtung aus den 1 bis 4B bzw. 6 grundsätzlich ähnlich.
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Der Reservoirabschnitt 112 ist mit der ersten Nebenkammer 712A über den Verzweigungskanal 724 und den ersten Fluidkanalbereich 724A fluidübertragungsfähig verbunden. Der Reservoirabschnitt 112 ist mit der zweiten Nebenkammer 712B über den Verzweigungskanal 724 und den zweiten Fluidkanalbereich 724B fluidübertragungsfähig verbunden. Der Reservoirabschnitt 112 ist mit der dritten Nebenkammer 712C über den Verzweigungskanal 724 und den dritten Fluidkanalbereich 724C fluidübertragungsfähig verbunden. Dabei verzweigt sich der Verzweigungskanal 724 in den ersten Fluidkanalbereich 724A, den zweiten Fluidkanalbereich 724B und den dritten Fluidkanalbereich 724C.
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Der erste Fluidkanalbereich 724A ist durch zwei Verbindungsbereiche 132 begrenzt, die um eine erste Strecke voneinander beabstandet sind. Der zweite Fluidkanalbereich 724B ist durch zwei Verbindungsbereiche 132 begrenzt, die um eine zweite Strecke voneinander beabstandet sind. Der dritte Fluidkanalbereich 724C ist durch zwei Verbindungsbereiche 132 begrenzt, die um eine dritte Strecke voneinander beabstandet sind. Gemäß dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist dabei die erste Strecke kleiner als die zweite Strecke, wobei die zweite Strecke kleiner als die dritte Strecke ist. Somit weist der erste Fluidkanalbereich 724A eine geringere Breite als der zweite Fluidkanalbereich 724B auf, der wiederum eine geringere Breite als der dritte Fluidkanalbereich 724C aufweist. Die Länge der Strecken liegt beispielsweise zwischen 100 µm und 5 mm. Beispielsweise beträgt die Länge der ersten Strecke 400 µm, die Länge der zweiten Strecke 800 µm und die Länge der dritten Strecke 1200 µm.
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Die in 7 gezeigte und beschriebene Vorrichtung 100 dient einer passiven Fluidsteuerung. Beispielhaft fungiert die Vorrichtung 100 als eine Aliquotierstruktur, bei der die Hauptkammer bzw. der Reservoirabschnitt 112 mit den drei Nebenkammern 712A, 712B, und 712C mittels des Verzweigungskanals 724 sowie jeweils einem totvolumenfreien Fluidkanalbereich 724A, 724B bzw. 724C verbunden ist. Aufgrund der unterschiedlichen Breite der Fluidkanalbereiche 724A, 724B und 724C ist eine Steifigkeit der Membran in diesen Bereichen verschieden und steht eine Auslenkung der jeweiligen zweiten Teilabschnitte der Membran in Abhängigkeit von einem Druckgradienten zwischen dem Reservoirabschnitt 112 und den Nebenkammern 712A, 712B und 712C. Die Breiten der Fluidkanalbereiche 724A, 724B und 724C können beispielsweise zwischen 500µm und 5mm variieren. Eine sich daraus ergebende Druckdifferenz kann beispielsweise zwischen 200mbar und 2000mbar variieren. Wenn beispielsweise eine Flüssigkeit in dem Reservoirabschnitt 112 mit Druck beaufschlagt wird, befüllen sich die Nebenkammern in der Reihenfolge 712C, dann 712B und dann 712A. Dies hat den Vorteil, dass eine Ansteuerung vereinfacht wird. Dadurch können zum Beispiel Ventile an Eingängen zu den Fluidkanalbereichen 724A, 724B und 724C eingespart werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine Rückstellkraft der Membran durch einen an die dem Fluid bzw. der Flüssigkeit abgewandten Seite der Membran angelegten Druck unterstützt. Dabei wird gemäß einem Ausführungsbeispiel an alle Fluidkanalbereiche 724A, 724B und 724C derselbe Druck angelegt. Dies hat im Vergleich zu einer Version mit Ventilen an jedem Eingang zu den Fluidkanalbereichen 724A, 724B und 724C den Vorteil, dass nur ein einziger externer Druckanschluss benötigt wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist für die Fluidkanalbereiche 724A, 724B und 724C jeweils eine eigene Membran vorgesehen.
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8 zeigt eine schematische Draufsicht einer Vorrichtung 100 zum Leiten von Fluid in einem mikrofluidischen System gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind von der Vorrichtung 100 in der Darstellung von 8 hierbei zwei Reservoirabschnitte 112, zwei Kanäle 124 bzw. zwei Fluidkanalbereiche, Verbindungsbereiche 132 und ein Sammelkanal 824. Dabei ist die Vorrichtung 100 in 8 der Vorrichtung aus den 1 bis 4B bzw. 6 bis 7 grundsätzlich ähnlich.
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Ein erster der Reservoirabschnitte 112 ist über einen ersten der Kanäle 124 mit dem Sammelkanal 824 fluidübertragungsfähig verbunden. Ein zweiter der Reservoirabschnitte 112 ist über einen zweiten der Kanäle 124 mit dem Sammelkanal 824 fluidübertragungsfähig verbunden. Die beiden Kanäle 124 münden somit gemeinsam in den Sammelkanal 824. Die Kanäle 124 sind durch jeweils zwei Verbindungsbereiche 132 begrenzt.
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In 8 ist somit eine exemplarische Einsatzmöglichkeit der Vorrichtung 100 für eine blasenfreie Zusammenführung von zwei Flüssigkeiten dargestellt. Es können beispielsweise Flüssigkeiten besonders gut gemischt werden können. Flüssigkeiten aus den Reservoirabschnitten 112 können entweder im wesentlichen gleichzeitig oder nacheinander in die totvolumenfreien Kanäle 124 bzw. Fluidkanalbereiche verdrängt und an einer Stelle, wo beide Kanäle 124 zusammentreffen bzw. in den Sammelkanal 824 münden, zusammengeführt werden.
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9 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung 100 zum Leiten von Fluid in einem mikrofluidischen System gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind von der Vorrichtung 100 in der Darstellung von 9 hierbei ein Trägersubstrat 110, zwei Reservoirabschnitte 112 bzw. Kammern, ein Decksubstrat 120, eine Durchgangsöffnung 122, zwei Kanäle 124 bzw. zwei Fluidkanalbereiche, eine elastische Membran 130, Verbindungsbereiche 132, ein Ventilsitz 914 und zwei Ventilhalterungen 926. Dabei entsprechen die Vorrichtung 100 und die Darstellung in 9 der Vorrichtung bzw. der Darstellung aus 1 mit der Ausnahme, dass zwei durch den Ventilsitz 914 voneinander getrennte Reservoirabschnitte 112 sowie zwei durch die zwei Ventilhalterungen 926 voneinander getrennte Kanäle 124 vorgesehen sind.
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Der Ventilsitz 914 ist an dem Trägersubstrat 110 angebracht oder ausgeformt und im Bereich der Durchgangsöffnung 122 angeordnet. Dabei ist der Ventilsitz 914 zwischen den zwei Reservoirabschnitten 112 angeordnet. Der Ventilsitz 914 ist in der Schnittansicht von 9 als ein Vorsprung ausgeformt. Die Ventilhalterungen 926 sind an dem Decksubstrat 120 angebracht oder ausgeformt und in der Schnittansicht von 9 als Vorsprünge ausgeführt. Die Durchgangsöffnung 122 ist zwischen den Ventilhalterungen 926 angeordnet. Dabei ist ein erster der Kanäle 124 durch eine erste der Ventilhalterungen 926 von der Durchgangsöffnung 122 getrennt. Ein zweiter der Kanäle 124 ist durch eine zweite der Ventilhalterungen 926 von der Durchgangsöffnung 122 getrennt. Die Membran 130 ist an den Ventilhalterungen 926 fixiert, beispielsweise stoffschlüssig mit denselben verbunden. Somit besteht keine Fluidverbindung zwischen den Kanälen 124 und der Durchgangsöffnung 122.
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Durch Anlegen eines Überdrucks an die Durchgangsöffnung 122 wird die an den Ventilhalterungen 926 fixierte elastische Membran 130 ausgelenkt und gegen den Ventilsitz 914 gepresst. Somit fungiert die Vorrichtung 100 als ein Ventil, mit dem die totvolumenfreie ausgeführten Kanäle 124 verschlossen bzw. voneinander abgetrennt werden können.
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10 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zum Leiten von Fluid in einem mikrofluidischen System gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind von der Vorrichtung 100 in der Darstellung von 10 hierbei ein Reservoirabschnitt 112 bzw. eine Kammer, ein Kanal 124 bzw. ein Fluidkanalbereich, ein Zuführkanal 1024A, ein Belüftungskanal 1024B und ein Ventil 1040. Dabei ist die Vorrichtung 100 in 10 der Vorrichtung aus den 1 bis 4B bzw. 6 bis 8 grundsätzlich ähnlich.
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Der Zuführkanal 1024A mündet in den Reservoirabschnitt 112, wobei der Zuführkanal 1024A zum Zuführen von Fluid bzw. Flüssigkeit in den Reservoirabschnitt 112 ausgebildet ist. Das Ventil 1040 ist an dem Belüftungskanal 1024B zum Öffnen und Schließen des Belüftungskanals 1024B angeordnet. Der Belüftungskanal 1024B mündet in den Reservoirabschnitt 112, wobei der Belüftungskanal 1024B zum Belüften des Reservoirabschnitts 112 ausgebildet ist. Der Kanal 124 bzw. der Fluidkanalbereich führt aus dem Reservoirabschnitt 112 heraus bzw. ist zum Ableiten von Fluid bzw. Flüssigkeit aus dem Reservoirabschnitt 112 ausgebildet.
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In 10 ist somit eine weitere exemplarische Verwendungsmöglichkeit der Vorrichtung 100 zur passiven Fluidsteuerung gezeigt. Dabei sind an den Reservoirabschnitt 112 der Zuführkanal 1024A, der Belüftungskanal 1024B und der totvolumenfrei ausgeführte Kanal 124 angeschlossen. Der Belüftungskanal 1024B ist durch das Ventil 1040 verschließbar. Mit einem solchen Aufbau ist es möglich, zuerst durch Öffnen des Ventils 1040 den Reservoirabschnitt 112 durch den Zuführkanal 1024A beispielsweise mit einer Flüssigkeit zu befüllen, ohne dass Flüssigkeit in den totvolumenfreien Kanal 124 gelangt. Durch Schließen des Ventils 1040 und gegebenenfalls Erhöhen des Drucks am Zuführkanal 1024A ist die Flüssigkeit aus dem Reservoirabschnitt 112 in den totvolumenfreien Kanal 124 verdrängbar. Dies hat den Vorteil, dass am Eingang zum totvolumenfreien Kanal 104 20 kein separates Ventil benötigt wird und somit insbesondere eine Ansteuerung eines Lab-on-Chip-Systems vereinfacht werden kann.
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Unter Bezugnahme auf die 1 bis 10 ist anzumerken, dass die Vorrichtung 100 in einem mikrofluidischen System als ein mikrofluidischer Kanal, eine fluidische Kapazität, eine Speichereinrichtung, eine Transporteinrichtung, eine Mischeinrichtung, eine Trenneinrichtung und zusätzlich oder alternativ eine Ventileinrichtung fungiert, wobei die Vorrichtung 100 ein reduziertes oder beseitigtes Totvolumen aufweist.
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Mögliche Materialien für die Polymersubstrate, d. h. das Trägersubstrat 110 und das Decksubstrat 120, umfassen beispielsweise Thermoplaste, wie z. B. PC, PP, PE, PMMA, COP, COC, PEEK oder dergleichen. Mögliche Materialien für die elastische Membran 130 bzw. Polymermembran umfassen beispielsweise ein Elastomer, thermoplastisches Elastomer, TPU, TPS, PU, Thermoplaste, Heißklebefolien, Siegelfolien für Mikrotiterplatten, Latex oder dergleichen.
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Die Polymersubstrate, d. h. das Trägersubstrat 110 und das Decksubstrat 120, weisen eine Dicke von beispielsweise 0,5 bis 5 Millimeter auf. Der Kanal 104 20 weist einen Durchmesser von beispielsweise 10 Mikrometer bis 3 Millimeter auf. Die elastische Membran 130 bzw. Polymermembran weist eine Dicke von beispielsweise 5 bis 500 Mikrometer auf. Ein Volumen von Kavitäten in den Polymersubstraten beträgt beispielsweise 1 Kubikmillimeter bis 1000 Kubikmillimeter.
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Ein Druck für das Auslenken bzw. die Aktuierung der elastischen Membran, insbesondere durch die Durchgangsöffnung 122 hindurch, beträgt beispielsweise 0,2Bar bis 2Bar.
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11 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1100 zum Leiten von Fluid in einem mikrofluidischen System gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei ist das Verfahren 1100 in Verbindung mit einer Vorrichtung zum Leiten von Fluid in einem mikrofluidischen System wie der Vorrichtung aus einer der 1 bis 10 vorteilhaft ausführbar.
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Anders ausgedrückt ist das Verfahren 1100 in Verbindung mit einer Vorrichtung ausführbar, die ein Trägersubstrat mit einer Fluidleitungsoberfläche, eine Membran und ein Decksubstrat aufweist, das an dem Trägersubstrat angebracht ist, wobei die Membran zumindest teilweise zwischen dem Decksubstrat und dem Trägersubstrat angeordnet ist. Die Membran weist einen ersten Teilabschnitt und einen von dem ersten Teilabschnitt räumlich getrennten, zweiten Teilabschnitt auf. Hierbei ist die Membran in dem ersten Teilabschnitt stoffschlüssig oder kraftschlüssig mit der Fluidleitungsoberfläche des Trägersubstrats verbunden. Dabei ist die Membran ausgebildet, um zwischen einem entspannten Zustand, in dem der zweite Teilabschnitt der Membran an der Fluidleitungsoberfläche des Trägersubstrats anliegend angeordnet ist, und einem ausgelenkten Zustand, in dem der zweite Teilabschnitt der Membran von der Fluidleitungsoberfläche des Trägersubstrats durch einen Fluidleitungszwischenraum beabstandet angeordnet ist, elastisch verformbar zu sein.
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Das Verfahren 1100 weist einen Schritt 1110 des Anordnens von Fluid zwischen der Membran und dem Trägersubstrat auf. Auch weist das Verfahren 1100 einen Schritt 1120 des Anlegens von Druck über die Membran an das Fluid auf, um den zweiten Teilabschnitt der Membran in den ausgelenkten Zustand zu versetzen und das Fluid durch den Fluidleitungszwischenraum zu leiten.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0100630 A1 [0003]
