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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikrofluidikvorrichtung mit wenigstens einem Reservoir zur Aufnahme einer Flüssigkeit, wenigstens einem in Kommunikation mit dem Reservoir stehenden Aktor, mit dem ein Überdruck in dem Reservoir erzeugbar ist, und wenigstens einem Kanal, der in fluider Verbindung mit dem Reservoir für einen Abtransport der Flüssigkeit aus dem Reservoir in einer Flüssigkeitstransportrichtung steht. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Flussbeeinflussung einer Flüssigkeit in einer Mikrofluidikvorrichtung, wobei die Flüssigkeit in einem Reservoir der Mikrofluidikvorrichtung aufgenommen wird, durch wenigstens einen in Kommunikation mit dem Reservoir stehenden Aktor ein Überdruck in dem Reservoir erzeugt wird und hierdurch wenigstens ein Teil der Flüssigkeit aus dem Reservoir in einer Flüssigkeitstransportrichtung in wenigstens einen Kanal, der in fluider Verbindung mit dem Reservoir steht, fließt.
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Miniaturisierte Systeme zur Analyse von Fluiden, vorzugsweise Flüssigkeiten, werden im Allgemeinen als "Labore auf dem Chip" oder "Lab-on-a-Chip" bezeichnet. Anwendungsgebiete umfassen beispielsweise die Humandiagnostik, die Veterinärdiagnostik sowie die Umwelt- und Lebensmittelanalytik. Die Systeme bestehen im Allgemeinen aus einer Kartusche, die Flüssigkeiten enthalten kann und in der diese Flüssigkeiten befördert werden können. Oft weisen solche Systeme auch einen Sensorbereich auf, der für die eigentliche Analytik zuständig ist.
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Für die Analyse einer Probe ist es häufig erforderlich, Flüssigkeiten definiert zu transportieren. Dies kann sowohl über eine externe Aktorik, die zum Beispiel pneumatisch, mechanisch oder über externe Pumpen arbeitet, als auch über eine Aktorik, die Bestandteil der Kartusche ist, erfolgen.
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Ein Beispiel für eine solche, in eine flüssigkeitsführende Mikrostruktur integrierte Aktorik ist in der Druckschrift
EP 1 844 936 A1 aufgezeigt. Der beschriebene Mikroaktor nutzt Hydrogel, das eine Aktorflüssigkeit, wie Wasser, absorbiert und mit Elektroden kontaktiert ist, durch die in der Aktorflüssigkeit eine Elektrolyse ausgelöst werden kann. Die sich bei der Elektrolyse bildenden Sauerstoff- und Wasserstoffblasen drücken gegen eine Membran des Mikroaktors, durch deren Auswölben wiederum ein Fluid in einem an der anderen Seite der Membran verlaufenden Kanal oder Reservoir der Mikrostruktur verdrängt werden oder der Kanal verschlossen werden kann.
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Neben dem reinen Transport von Flüssigkeiten ist jedoch häufig auch das gezielte Schalten von Flüssigkeitsströmen erforderlich. Auch ist es teilweise erforderlich, definiert bestimmte Kanalbereiche wieder zu entleeren, zum Beispiel um eine anschließende Messung von gebundenen Molekülen an der Wand eines von einer Flüssigkeit entleerten Bereiches durchzuführen oder um ein Vermischen mit einer anschließend diesen Bereich durchströmenden Flüssigkeit zu vermeiden. Eine rein auf Überdruck basierende Aktorik ist jedoch nicht in der Lage, eine solche Entleerung zu realisieren.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mikrofluidikvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Mikrofluidikvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die ein gezieltes Leiten einer Flüssigkeit innerhalb der Mikrofluidikvorrichtung erlauben.
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Die Aufgabe wird zum einen durch eine Mikrofluidikvorrichtung mit wenigstens einem Reservoir zur Aufnahme einer Flüssigkeit, wenigstens einem in Kommunikation mit dem Reservoir stehenden Aktor, mit dem ein Überdruck in dem Reservoir erzeugbar ist, und wenigstens einem Kanal, der an einem ersten Kanalende in fluider Verbindung mit dem Reservoir für einen Abtransport der Flüssigkeit aus dem Reservoir in einer Flüssigkeitstransportrichtung steht, gelöst, bei der der Kanal zumindest teilweise von wenigstens einer flüssigkeitsundurchlässigen, aber gasdurchlässigen Membran abgedeckt ist und in dem Kanal, in der Flüssigkeitstransportrichtung der Membran nachgeordnet wenigstens ein die Flüssigkeit absorbierendes Absorbermaterial vorgesehen ist.
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Die in dem Reservoir der Mikrofluidikvorrichtung aufgenommene oder aufnehmbare Flüssigkeit kann beispielsweise eine hinsichtlich ihrer Inhaltsstoffe oder sonstiger Eigenschaften zu analysierende Flüssigkeit sein. Dabei fallen erfindungsgemäß unter den Begriff „Flüssigkeit“ alle bei Raumtemperatur und 1 bar Umgebungsdruck fluiden Medien, außer Gase oder Gasgemische oder Dämpfe. So sind zum Beispiel von dem Begriff „Flüssigkeit“ Wasser, flüssige Alkohole, Urin, Blut, wässrige Lösungen, Lösungen mit alkoholischem Lösungsmittel, Gele, Öle und weitere fließende Medien, die wie Blut oder Erdöl beispielsweise natürlichen Ursprungs sein können, aber auch synthetisch hergestellt sein können.
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Mit dem Aktor kann ein Überdruck in dem Reservoir, in dem sich die Flüssigkeit befindet, erzeugt werden. Durch diesen Überdruck wird die Flüssigkeit zumindest teilweise aus dem Reservoir in den Kanal gedrängt und kann in diesem in der Flüssigkeitstransportrichtung ab- bzw. weitergeleitet werden.
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Über die flüssigkeitsundurchlässige, aber gasdurchlässige Membran, mit der der Kanal zumindest teilweise verschlossen ist, kann die durch den Kanal geleitete Flüssigkeit zumindest teilweise ausgasen. Es können beispielsweise über die Membran in einer Flüssigkeit gelöste oder von der Flüssigkeit mitgeführte Gase, welche beispielsweise bei einer Analyse der Flüssigkeit stören können, von der Flüssigkeit abgetrennt werden. Ferner kann in diejenigen Kanalbereiche, die nicht mit Flüssigkeit gefüllt sind, über die flüssigkeitsundurchlässige, aber gasdurchlässige Membran Gas, wie zum Beispiel Umgebungsluft, von außen in den entleerten Kanalbereich eindringen. Dadurch wird in dem entleerten Kanalbereich ein Druckausgleich geschaffen, wodurch beispielsweise verhindert werden kann, dass bereits weitergeleitete Flüssigkeit in den entleerten Kanalbereich zurückfließt oder zurückdiffundiert.
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Mit Hilfe des Absorbermaterials kann die in den Kanal eingeleitete Flüssigkeit zumindest teilweise aufgesaugt werden. Das heißt, ohne Druck oder andere Fremdeinwirkung von außen kann allein durch die Kapillarwirkung des Absorbermaterials dann, wenn die Flüssigkeit in Kontakt mit dem Absorbermaterial kommt, diese durch das Absorbermaterial aufgesaugt werden. Das Aufsaugen führt dazu, dass sich die Flüssigkeit schnell in Richtung des Absorbermaterials bewegt. Das Aufsaugen der Flüssigkeit ist typischerweise erst dann beendet, wenn das Absorbermaterial vollgesaugt oder die bis zu dem Absorbermaterial geflossene Flüssigkeit völlig durch das Absorbermaterial aufgesaugt ist. Da das Aufsaugen sehr rasch erfolgt, kommt es dann, wenn der Aktor nur einen mäßigen oder gar keinen Druck auf das Reservoir zu dessen Entleerung ausübt und dadurch die Nachfließgeschwindigkeit der Flüssigkeit in den Kanal geringer als die Aufsauggeschwindigkeit der Flüssigkeit durch das Absorbermaterial ist, zu einer Flüssigkeitstrennung in dem Kanal und damit zur Ausbildung eines flüssigkeitsentleerten Kanalbereiches in dem Kanal. Durch die Kapillarwirkung des Absorbermaterials kann bei Kontakt des Absorbermaterials mit der Flüssigkeit nahezu abrupt die Flüssigkeit aus einem ganzen Kanalbereich in dem Absorbermaterial aufgesaugt werden. Man kann also mit der vorliegenden Erfindung gezielt bestimmte Kanalbereiche entleeren.
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Wenn man beispielsweise durch das Absorbermaterial einen Durchgang für die Flüssigkeit verschließen will und/oder die Flüssigkeit möglichst effektiv und schnell durch das Absorbermaterial aufsaugen lassen will, empfiehlt es sich, das Absorbermaterial derart in einem Kanalbereich des Kanals vorzusehen, dass es sich über den vollen Querschnitt des Kanals erstreckt.
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Soll nach einem zumindest teilweisen Entleeren eines Kanalabschnittes zwischen der gasdurchlässigen, aber flüssigkeitsundurchlässigen Membran und dem Absorbermaterial durch die Saugwirkung des Absorbermaterials die Flüssigkeit durch eine weitere Druckbeaufschlagung des Reservoirs auch weiterhin in Richtung des Absorbermaterials transportiert werden, ist es günstig, wenn sich das Absorbermaterial nur über einen Teil des Querschnitts des Kanals erstreckt. In dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung saugt sich das Absorbermaterial mit der Flüssigkeit voll und entleert damit den davor liegenden Kanalabschnitt um das von dem Absorbermaterial aufgesaugte Volumen. Ist das vom Absorbermaterial maximal absorbierbare Flüssigkeitsvolumen erreicht, verliert das Absorbermaterial seine saugende Wirkung. Durch die weitere Druckbeaufschlagung des Reservoirs kann auf diese Weise Flüssigkeit auch über die Ausdehnung des Absorbermaterials hinaus transportiert werden.
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Es kann weiterhin vorteilhaft sein, mehrere, nicht in unmittelbarem Kontakt zueinander befindliche Absorbermaterialien, die aus gleichem oder unterschiedlichen Material mit gleichem oder unterschiedlichem Durchmesser ausgebildet sein können, hintereinander in dem Kanal zu platzieren, um die Entleerung eines jeweils in der Flüssigkeitstransportrichtung davor liegenden Kanalabschnittes mehrmals durchführen zu können.
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Bei vorteilhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann als Absorbermaterial beispielsweise, aber nicht unbedingt oder abschließend, wenigstens aus einem Vlies und/oder aus flüssigkeitsabsorbierendem Papier und/oder aus Watte und/oder aus einem Schwamm und/oder aus wenigstens einem geschäumten und/oder hochporösen Material und/oder aus wenigstens einem textilen Material und/oder aus einem keramischen Material und/oder aus wenigstens einem flüssigkeitsabsorbierenden Salz und/oder Polymer und/oder Gel ausgebildet sein.
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Der Gasaustritt aus der Flüssigkeit durch die Membran ist besonders effektiv, wenn der Kontaktwinkel zwischen der Flüssigkeit und der der Flüssigkeit zugewandten Oberfläche der Membran größer als 90° ist. Vorzugsweise ist di e Membran hydrophob und/oder oliophob.
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Vorzugsweise mündet bei der vorliegenden Erfindung der Kanal in wenigstens eine an eine Umgebung geöffnete Entlüftungsöffnung, wobei wenigstens eine solche Entlüftungsöffnung in der Flüssigkeitstransportrichtung nach dem Absorbermaterial vorgesehen ist. Über die Entlüftungsöffnung kann durch die Flüssigkeit in dem Kanal verdrängtes Gas bzw. verdrängte Luft nach außen, beispielsweise an die Umgebung der Mikrofluidikvorrichtung, entweichen, wodurch das Fließen der Flüssigkeit in dem Kanal nicht durch darin noch befindliches Gas behindert oder gar gestoppt wird. Dadurch dass wenigstens eine solche Entlüftungsöffnung in der Flüssigkeitstransportrichtung hinter dem Absorbermaterial vorgesehen ist, kann die Flüssigkeit durch das Absorbermaterial mit hoher Effektivität, ungehindert durch hinter dem Absorbermaterial befindliche(s) Gas oder Luft und den damit sonst verbundenen Druckaufbau, aufgesaugt werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mikrofluidikvorrichtung verzweigt sich der Kanal in der Flüssigkeitstransportrichtung in wenigstens zwei Kanalzweige, wobei in wenigstens einem ersten der Kanalzweige das Absorbermaterial vorgesehen ist und in wenigstens einem anderen, zweiten der Kanalzweige kein Absorbermaterial vorgesehen ist. Bei dieser Ausbildung wird die in den Kanal fließende Flüssigkeit in dem ersten Kanalzweig durch das darin befindliche Absorbermaterial aufgesaugt, wodurch sich dieser Kanalzweig, je nachdem, ob sich das Absorbermaterial über den gesamten Querschnitt dieses Kanalbereiches erstreckt oder nicht, verschließt oder verengt. Weitere, in den Kanal nachfließende Flüssigkeit fließt daraufhin nur noch oder verstärkt durch den zweiten Kanalzweig ab bzw. weiter. Mit dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrofluidikvorrichtung kann also gezielt eine Richtungsänderung der Flüssigkeitstransportrichtung oder eine Änderung der Durchflussmenge der Flüssigkeit pro Kanalzweig pro Zeit vorgenommen werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Mikrofluidikvorrichtung hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn der Aktor eine Aktoreinheit aufweist, mit der wenigstens ein Gas mit einem Gasdruck erzeugbar ist, durch den eine das Reservoir zumindest teilweise abdeckende Deckmembran in Richtung des Reservoirinneren verwölbbar ist.
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Hierfür kann die Aktoreinheit beispielsweise ein Aufnahmemedium mit einer davon und/oder darin aufgenommenen Aktorflüssigkeit und die Aktorflüssigkeit kontaktierende Elektroden aufweisen. Als Aufnahmemedium kann beispielsweise ein Hydrogel dienen.
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Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Flussbeeinflussung einer Flüssigkeit in einer Mikrofluidikvorrichtung gelöst, wobei die Flüssigkeit in einem Reservoir der Mikrofluidikvorrichtung aufgenommen wird, durch wenigstens einen in Kommunikation mit dem Reservoir stehenden Aktor ein Überdruck in dem Reservoir erzeugt wird und hierdurch wenigstens ein Teil der Flüssigkeit aus dem Reservoir in einer Flüssigkeitstransportrichtung in wenigstens einen Kanal, der an einem ersten Kanalende in fluider Verbindung mit dem Reservoir steht, fließt, und wobei Gas aus der in den Kanal geflossenen Flüssigkeit durch wenigstens eine flüssigkeitsundurchlässige, aber gasdurchlässige Membran, mit der der Kanal zumindest teilweise abgedeckt ist, austritt und/oder von einer Umgebung der Mikrofluidikvorrichtung durch die gasdurchlässige Membran in einen Kanalbereich des Kanals, den die Flüssigkeit bereits durchflossen hat, eintritt, und wenigstens ein Teil der in den Kanal geflossenen, zumindest teilweise ausgegasten Flüssigkeit durch ein Absorbermaterial, das in der Flüssigkeitstransportrichtung der Membran nachgeordnet in dem Kanal vorgesehen ist, absorbiert wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Flüssigkeit, die sich bereits in dem Reservoir befinden kann oder vor oder während des Verfahrens, beispielsweise durch eine Pumpeinrichtung, in das Reservoir gebracht wird, gezielt in der Mikrofluidikvorrichtung geleitet. Hierbei wird die Flüssigkeit zunächst durch den Aktor, der einen Überdruck in dem Reservoir erzeugt, aus dem Reservoir in den wenigstens einen Kanal gedrückt. Der Aktor kann dabei einen einmaligen, einen kontinuierlichen oder auch einen sich in Abständen wiederholenden Druck auf die Flüssigkeit ausüben. Der Druck kann hinsichtlich seiner Höhe gleichbleibend sein oder sich verändern. Als Aktor kann beispielsweise ein mit Hilfe eines Hydrogels und einer Membran arbeitender Mikroaktor, wie er z. B. in der Druckschrift
EP 1 844 936 A1 beschrieben ist, sein.
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Wenn die Flüssigkeit in dem Kanal an der Membran entlang fließt, kann in der Flüssigkeit enthaltenes Gas zumindest teilweise über die gas- aber nicht flüssigkeitsdurchlässige Membran ausgasen.
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Sobald die in den Kanal gedrückte Flüssigkeit in Kontakt mit dem in dem Kanal befindlichen Absorbermaterial kommt, saugt dieses die Flüssigkeit auf. Dies geschieht solange, bis entweder das Absorbermaterial vollgesaugt ist oder die in den Kanalabschnitt nach der gasdurchlässigen Membran geflossene Flüssigkeit aufgesaugt ist. Durch das Absorbermaterial kann also ein Kanalbereich des Kanals gezielt entleert werden. Dies kann beispielsweise für Anwendungen nützlich sein, in welchen durch die durchgeflossene Flüssigkeit an der Kanalinnenwand abgelagerte Rückstände in dem ansonsten entleerten Kanalbereich analysiert werden sollen.
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In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens verzweigt sich der Kanal in der Flüssigkeitstransportrichtung in wenigstens zwei Kanalzweige, wobei wenigstens ein Teil der in den Kanal geflossenen, zumindest teilweise ausgegasten Flüssigkeit in wenigstens einem ersten der Kanalzweige durch das Absorbermaterial, das in der Flüssigkeitstransportrichtung der Membran nachgeordnet in dem ersten Kanalzweig vorgesehen ist, absorbiert wird, während ein weiterer Teil der in den Kanal geflossenen, zumindest teilweise ausgegasten Flüssigkeit in wenigstens einem anderen, zweiten der Kanalzweige, in dem kein Absorbermaterial vorgesehen ist, weiter- oder abfließt.
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Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zum gezielten Verändern der Flussrichtung der Flüssigkeit in dem Kanalsystem der Mikrofluidikvorrichtung verwendet werden. So wird dann, wenn das Absorbermaterial in dem ersten Kanalzweig vollgesaugt ist, dann, wenn sich das Absorbermaterial über den gesamten Querschnitt des ersten Kanalzweiges erstreckt, der erste Kanalzweig verstopft, sodass nachfließende Flüssigkeit nicht mehr über den ersten, sondern nur noch über den zweiten Kanalzweig und darin ungehindert abfließt. Einen ähnlichen Effekt kann man erreichen, wenn nur ein Teil des Querschnittes des ersten Kanalzweiges mit dem Absorbermaterial versehen ist. In diesem Fall wird der Durchfluss von Flüssigkeit durch das Absorbermaterial in dem ersten Kanalzweig zunächst durch den Aufsaugeffekt gehemmt und nachfolgend durch den im Durchflussquerschnitt verringerten Kanal im Vergleich zu dem zweiten, nicht mit Absorbermaterial versehenen bzw. verstopften Kanal verkleinert. Hier kann also die Flüssigkeitsströmung verstärkt über den zweiten Kanalzweig abgeleitet werden.
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In einer besonders günstigen Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit dem Aktor wenigstens ein Gas mit einem Gasdruck erzeugt, wobei durch den Gasdruck eine das Reservoir zumindest teilweise abdeckende Deckmembran in Richtung des Reservoirinneren verwölbt wird und dadurch wenigstens ein Teil der in dem Reservoir befindlichen Flüssigkeit aus dem Reservoir herausgedrückt wird.
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Das Gas kann beispielsweise elektrolytisch in dem Aktor erzeugt werden. Hierfür kann der Aktor in Form eines Mikroaktors gestaltet sein, in dem ein Hydrogel vorgesehen ist, das eine Aktorflüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, absorbiert und mit Elektroden kontaktiert ist, durch die in der Aktorflüssigkeit eine Elektrolyse ausgelöst werden kann. Das sich bei der Elektrolyse bildende Gas, das heißt, bei der Elektrolyse von Wasser die entstehenden Sauerstoff- und Wasserstoffblasen, drückt bzw. drücken gegen eine Membran des Mikroaktors, die gleichzeitig eine Deckmembran des Reservoirs ausbildet. Durch diesen Gasdruck wird die Deckmembran in Richtung des Reservoirinneren gewölbt, wodurch zumindest ein Teil der in dem Reservoir befindlichen Flüssigkeit aus diesem verdrängt wird und in den wenigstens einen an das Reservoir angrenzenden Kanal fließt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau, Funktion und Vorteile werden im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobei
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die 1a bis 1d schematisch erfindungsgemäße Verfahrensschritte zur Kanalentleerung an einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrofluidikvorrichtung in einer geschnittenen Querschnittsdarstellung zeigen;
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die 2a bis 2g schematisch erfindungsgemäße Verfahrensschritte zur Kanalentleerung an einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrofluidikvorrichtung in einer geschnittenen Querschnittsdarstellung zeigen; und
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die 3a bis 3e schematisch erfindungsgemäße Verfahrensschritte zum Schalten einer Strömungsrichtung einer Flüssigkeit an noch einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrofluidikvorrichtung in einer Draufsicht zeigen.
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Die 1a bis 1e zeigen schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mikrofluidikvorrichtung 1 in einer geschnittenen Querschnittsansicht und an dieser Mikrofluidikvorrichtung 1 ausgeführte oder ausführbare Verfahrensschritte.
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Die Mikrofluidikvorrichtung 1 weist einen Fluidleitungskörper 11 auf, der aus einem Substrat oder mehreren, miteinander verbundenen Substratkomponenten ausgebildet sein kann. Ferner kann der Fluidleitungskörper 11 ein oder mehrere auf dem Substrat oder den Substratkomponenten ausgebildete Schichten oder Schichtfolgen aufweisen. Zudem kann bzw. können mit dem Fluidleitungskörper 11 ein oder mehrere Reservoir(e) für eine oder mehrere Flüssigkeit(en) und/oder ein oder mehrere Aktor(en) zur Beeinflussung der Fluidleitung in dem Fluidleitungskörper 11 gekoppelt sein.
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In dem in den 1a bis 1e gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Fluidleitungskörper 11 ein Reservoir 2 zur Aufnahme einer Flüssigkeit 3 auf. Als Flüssigkeit 3 kommen alle, bei 20 °C und 1 bar flüssigen oder fließf ähigen Medien in Betracht. Das Reservoir 2 kann beliebige Formen und Ausmaße aufweisen. Das Reservoir 2 ist vorzugsweise mit einer hier nicht gezeigten Zuleitung und/oder einer Zuführstelle und/oder einem externen Flüssigkeitsreservoir für die Flüssigkeit 3 verbunden. Das Reservoir 2 dient insbesondere zu einer zwischenzeitlichen Aufbewahrung bzw. Zwischenspeicherung der Flüssigkeit 3. In oder an dem Reservoir 2 können aber auch chemische und/oder physikalische Modifikationen, wie eine Zugabe von wenigstens einer Chemikalie und/oder eine Erwärmung oder Abkühlung und/oder eine Druckbeaufschlagung und/oder Messungen an der in dem Reservoir 2 befindlichen oder in das Reservoir 2 hineinfließenden und/oder aus dem Reservoir 2 herausfließenden Flüssigkeit 3, durchgeführt werden.
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Das Reservoir 2 ist in dem gezeigten Beispiel in einem Graben vorgesehen, der in einem Substrat des Fluidleitungskörpers 11 ausgebildet ist, wobei der Graben durch eine Wand eines Aktors 4 abgedeckt ist. Die Wand des Aktors 4 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine flexible Membran, die gleichzeitig eine Deckmembran 41 des Reservoirs 2, mit der das Reservoir 2 zumindest teilweise abgedeckt ist, ausbildet. Über den Druck auf die Deckmembran 41 und die dadurch entstehenden Wölbung der Deckmembran 41 in Richtung des Inneren des Reservoirs 2 wird, wie es in 1b schematisch durch den Pfeil p dargestellt ist, ein Druck auf die in dem Reservoir 2 befindliche Flüssigkeit 3 ausgeübt, sodass in dem Reservoir 2 ein Überdruck entsteht. Anstelle der flexiblen Membran kann die Wand des Aktors 4 in anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beispielsweise auch ein auf und ab bzw. hin und her bewegbarer Stempel des Aktors 4 sein, mit dem ein Druck auf die in dem Reservoir 2 befindliche Flüssigkeit 3 ausgeübt werden kann.
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Der Aktor
4 kann beispielsweise ein pneumatisch, mechanisch oder über externe Pumpen arbeitetender Aktor oder auch Bestandteil einer Kartusche sein. Insbesondere kann der Aktor
4 wie der in der Druckschrift
EP 1 844 936 A1 beschriebene Mikroaktor ausgebildet sein. So kann der Aktor
4 beispielsweise wenigstens eine Aktoreinheit aufweisen, in der ein Gasdruck aufgebaut wird, durch den die Wand des Aktors
4 bzw. die Deckmembran
41 des Reservoirs
2 in Richtung des Reservoirinneren verwölbbar ist. Das Gas, das einen solchen Gasdruck ausbildet, kann beispielsweise in der wenigstens einen Aktoreinheit des Aktors
4 elektrolytisch erzeugt werden. Hierfür kann in dem Aktor
4 wenigstens ein Aufnahmemedium, wie beispielsweise ein Hydrogel, vorgesehen sein, das eine Aktorflüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, absorbiert und/oder aufnimmt und mit Elektroden zur Initiierung einer Elektrolyse in der Aktorflüssigkeit elektrisch kontaktiert ist.
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Der Aktor 4 kann mit dem Fluidleitungskörper 11 verbunden oder in diesen integriert oder auch als separat zu dem Fluidleitungskörper 11 ausgebildetes Bauteil der Mikrofluidikvorrichtung 1 vorgesehen sein.
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Ferner ist das Reservoir 3 im Beispiel von 1a bis 1e mit einem in dem Fluidleitungskörper 11 vorgesehenen Kanal 5 gekoppelt. In dem gezeigten Beispiel grenzt der Kanal mit einem ersten Kanalende 51 an das Reservoir 2. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann/können ein oder mehrere Reservoirausgang bzw. Reservoirausgänge auch in einen an dem Reservoir 2 vorbei verlaufenden Kanal 5 münden.
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Der Kanal 5 ist in dem gezeigten Beispiel in einer Senke des Fluidleitungskörpers 12 ausgebildet, wobei die Senke durch eine Deckschicht 12 und teilweise durch eine flüssigkeitsundurchlässige, aber gasdurchlässige Membran 6 abgedeckt ist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Reservoir 2 auch mit zwei oder mehr als zwei Kanälen 5 unterschiedlicher Ausrichtung und Größe oder auch mit wenigstens einem weiteren Reservoir verbunden sein.
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Ferner können die Mikrofluidikvorrichtung 1 als auch andere Ausführungsformen der Mikrofluidikvorrichtung noch weitere Komponenten, wie weitere Reservoire, Kanäle, Messeinrichtungen, Ventile, Pumpen, Heizungen, Kühleinrichtungen usw., aufweisen, die in den Figuren zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt sind.
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An wenigstens einem anderen, von dem mit dem Reservoir 2 gekoppelten Kanalbereich entfernten Kanalbereich des Kanals 5 ist in dem Kanal 5 ein Absorbermaterial 7 vorgesehen. In dem Ausführungsbeispiel der 1a bis 1e erstreckt sich das Absorbermaterial 7 über den gesamten Querschnitt d des Kanals 5. Das Absorbermaterial 7 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Vlies, kann jedoch in anderen Ausführungsformen der Erfindung auch ein anderes die Flüssigkeit 3 aufsaugendes Material, wie ein Schwamm, Watte, wenigstens ein poröses Material, ein Gel, Salz oder Polymer, Papier, ein textiles Material und/oder ein Schaum und/oder ein keramisches Material, sein. Das Absorbermaterial 7 nimmt zwar die Flüssigkeit 3 auf, ist aber gasdurchlässig.
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An wenigstens einem, dem mit dem Reservoir 2 verbundenen ersten Kanalende 51 gegenüber liegenden zweiten Kanalende 52 des Kanals 5 ist eine Entlüftungsöffnung 8 vorgesehen, über welche Luft oder Gas aus dem Kanal 5 an eine um die Mikrofluidikvorrichtung 1 befindliche Umgebung 10 entweichen kann.
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Wie in 1a zu sehen, befindet sich die Flüssigkeit 3 in dem Reservoir 2, wobei das Reservoir 2 über einen Reservoirausgang 21, an den das erste Kanalende 51 grenzt, in fluider Verbindung mit dem Kanal 5 ist, sodass die Flüssigkeit 3 aus dem Reservoir 2 in den Kanal 5 fließen kann. In dem Zustand von 1a ist das Absorbermaterial 7 trocken.
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In einem Folgeschritt, der in 1b zu sehen ist, wird über den nicht gezeigten Aktor die Wand 5 in Richtung des Reservoirinneren gedrückt, wie es durch Pfeil p schematisch dargestellt ist. In dem Reservoir 2 wird dabei ein Überdruck erzeugt, der bewirkt, dass die Flüssigkeit 3 aus dem Reservoir 2 in der Flüssigkeitstransportrichtung A in den Kanal 5 fließt. Gleichzeitig wird die in Kanal 5 befindliche Luft 9 parallel zu der Flüssigkeitstransportrichtung A aus dem Kanal 5 in Richtung der Entlüftungsöffnung 8 verdrängt. Ferner wird zumindest ein Teil des in dem Kanal 5 befindlichen Gases 9, wie es durch den durch die Membran 6 verlaufenden Pfeil schematisch veranschaulicht ist, über die gasdurchlässige Membran 6 an die Umgebung 10 abgegeben.
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Im Folgenden führt der weiter auf das Reservoirinnere ausgeübte Druck p dazu, dass sich, wie in 1c zu sehen, die Flüssigkeit 3 weitere in den Kanal 5 ausbreitet, wobei auch in der Flüssigkeit 3 befindliches Gas 9 bzw. darin enthaltene Luft über die gasdurchlässige, aber flüssigkeitsundurchlässige Membran 6 an die Umgebung 10 abgegeben werden kann.
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Die Flüssigkeit 3 füllt im weiteren Verfahrensablauf, wie in 1d gezeigt, allmählich den Kanal 5, bis sie an das Absorbermaterial 7 gelangt.
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Durch das Absorbermaterial 7 wird, wie es in 1e zu sehen ist, zumindest ein Teil der in den Kanal 5 geflossenen Flüssigkeit 3 nahezu abrupt aufgesaugt. Dies führt dazu, dass ein Kanalbereich 5c des Kanals 5 entleert wird, also der Flüssigkeitsstrom in dem Kanalbereich 5c abreißt. Das Absorbermaterial 7 ist in dem Bereich 73 mit der Flüssigkeit 3 vollgesaugt. Über die Membran 6 tritt nun Gas 9 bzw. Luft aus der Umgebung 10 in den entleerten Kanalbereich 5c ein.
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In den 2a bis 2g ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrofluidikvorrichtung 1a in einer geschnittenen Querschnittsansicht dargestellt. In den 2a bis 2g bezeichnen gleiche Bezugszeichen wie in den 1a bis 1e gleiche oder ähnliche Komponenten, weshalb an dieser Stelle bezüglich dieser Komponenten auf obige Beschreibung verwiesen wird.
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Im Unterschied zu der Mikrofluidikvorrichtung 1 aus den 1a bis 1e erstreckt sich bei der Mikrofluidikvorrichtung 1a aus den 2a bis 2g das Absorbermaterial 7‘ nur über einen Teil des Kanalquerschnittes d des Kanals 5, ansonsten gilt für das Absorbermaterial 7‘ das zu dem Absorbermaterial 7 oben Gesagte.
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Wie es in den 2a bis 2d zu sehen ist, wird die Flüssigkeit durch den auf das Reservoirinnere ausgeübten Druck p in den Kanal 5 gedrückt, bis die Flüssigkeit 3 an das Absorbermaterial 7‘ gelangt. Das Absorbermaterial 7‘ saugt, wie es in 2e zu sehen ist, einen Teil der in den Kanal 5 geflossenen Flüssigkeit auf und der entleerte Kanalbereich 5 wird über die gasdurchlässige Membran 6 mit Gas 9 bzw. Luft aus der Umgebung 10 gefüllt.
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Wird daraufhin, wie es anhand von 2f zu sehen ist, weiter Druck p auf die Flüssigkeit 3 in dem Reservoir 2 ausgeübt, fließt weitere Flüssigkeit 3 in den Kanal, einschließlich des vorher entleerten Kanalbereiches 5c.
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Sobald diese weitere Flüssigkeit 3 an das beim ersten Aufsaugen noch nicht vollständig mit der Flüssigkeit 3 vollgesaugte Absorbermaterial 7‘ gelangt, saugt, wie es in 2g zu sehen ist, das Absorbermaterial 7‘ auch einen Teil der weiteren Flüssigkeit 7‘ auf und an. Das vollgesaugte Absorbermaterial 73 grenzt daraufhin an einen Kanalbereich 5d des Kanals 5, in dem die angesaugte Flüssigkeit 3 vorhanden ist, während entgegen der Flüssigkeitstransportrichtung A, also hinter dem Kanalbereich 5d, ein entleerter Kanalbereich 5c‘ in dem Kanal 5 vorliegt, der über die Membran 6 mit Gas 9 bzw. Luft gefüllt wird.
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Die 3a bis 3e zeigen noch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mikrofluidikvorrichtung 1b in einer Draufsicht. Wiederum bezeichnen in den 3a bis 3e gleiche Bezugszeichen wie in den 1 bis 1e und 2a bis 2g gleiche Komponenten, weshalb hinsichtlich dieser Komponenten vollumfänglich auf obige Beschreibung verwiesen wird.
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Im Unterschied zu den 1 bis 1e und 2a bis 2g verzweigt sich in den 3a bis 3e der Kanal 5 in der Flüssigkeitstransportrichtung A nach der gasdurchlässigen, aber flüssigkeitsundurchlässigen Membran 6 in wenigstens zwei Kanalzweige, in den 3a bis 3e in den ersten Kanalzweig 5a und den zweiten Kanalzweig 5b. In dem ersten Kanalzweig 5a ist ein Absorbermaterial 7 in der Flüssigkeitstransportrichtung A nach der Membran 6 vorgesehen, während sich dem zweiten Kanalzweig 5b kein Absorbermaterial 7 befindet.
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In dem Reservoir 2 befindet sich die Flüssigkeit 3, die durch Erzeugung eines Überdruckes in dem Reservoir 2 aus diesem in den in Fluider Verbindung mit dem Reservoir 2 stehenden Kanal 5 in der Flüssigkeitstransportrichtung A gedrängt wird. Zunächst wird in dem in 3a gezeigten Schritt das durch die Flüssigkeit 3 innerhalb des Kanals 5 verdrängte Gas 9 zumindest teilweise über die Membran 6 an die Umgebung 10 abgegeben. Das weitere Gas 9 wird über die jeweils am Ende der Kanalzweige 5a, 5b befindlichen Entlüftungsöffnungen 8, 8a an die Umgebung 10 abgeführt.
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Beim Passieren der gasdurchlässigen, aber flüssigkeitsundurchlässigen Membran 6, also in dem in 3b gezeigten Schritt, wird auch in der Flüssigkeit 3 enthaltenes Gas 9 oder Luft zumindest teilweise über die Membran 6 an die Umgebung 10 abgeführt.
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Wie es in 3c zu sehen ist, fließt die Flüssigkeit 3 zunächst in beide Kanalzweige 5a, 5b.
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Gelangt die Flüssigkeit 3 an das in dem ersten Kanalzweig 5a befindliche Absorbermaterial 7, wird sie zumindest teilweise durch das Absorbermaterial 7 aufgesaugt, bis das Absorbermaterial 7 vollgesaugt ist. Daraufhin ist der erste Kanalzweig durch das vollgesaugte Absorbermaterial 7 versperrt.
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Im Folgenden fließt die weiter in den Kanal 5 gedrückt Flüssigkeit 3, wie es in 3e dargestellt ist, nur noch über den zweiten Kanalzweig 5b ab bzw. weiter. Es erfolgt hierdurch somit ein Schalten der Flüssigkeitstransportrichtung A.
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Wird in dem ersten Kanalzweig 5a ein Absorbermaterial 7‘, wie in den 2a bis 2g gezeigt, eingesetzt, das sich nur über einen Teil des Kanalquerschnittes d des Kanalzweiges 5a erstreckt, kann durch das vollgesaugte Absorbermaterial 73‘ die Fließgeschwindigkeit in dem ersten Kanalzweig 5a reduziert und damit die Menge an Flüssigkeit, die pro Zeit in bzw. durch die Kanalzweige 5a, 5b fließt, gesteuert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1844936 A1 [0004, 0022, 0037]
