DE102015205906B4 - Storage unit, method for producing a storage unit and method for releasing a fluid stored in a storage unit - Google Patents
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Abstract
Bevorratungseinheit (100) zum Bevorraten von einem Fluid (120), wobei die Bevorratungseinheit (100) die folgenden Merkmale aufweist:- eine Gehäuseeinheit (107), die eine Kavität (115) zum Aufnehmen des Fluids (120) aufweist;- eine Verschlussmembran (125), die ausgebildet und/oder angeordnet ist, um ein Fluid (120) in der Kavität (115) fluiddicht in der Kavität (115) einzuschließen;- eine Einlassöffnung (130) in einer Wand der Gehäuseeinheit (107) zum Einleiten eines Förderfluids (135) und Ausüben eines pneumatischen und/oder hydraulischen Drucks durch das Förderfluid (135) auf die Verschlussmembran (125), wobei die Verschlussmembran (125) die Einlassöffnung (130) fluidisch von der Kavität (115) trennt; und- ein Öffnungselement (148) zum Öffnen der Verschlussmembran (125) bei Beaufschlagung der Verschlussmembran (125) mit dem pneumatischen und/oder hydraulischen Druck, wobei das Öffnungselement (148) auf einer der Einlassöffnung (130) gegenüberliegenden Seite der Verschlussmembran (125) angeordnet ist gekennzeichnet, durch- eine Druckmembran (200), die zwischen der Einlassöffnung (130) und der Verschlussmembran (125) angeordnet ist, und die gegenüber der Verschlussmembran (125) reißfester ausgestaltet ist, insbesondere wobei die Druckmembran (200) ausgebildet ist, um einem pneumatischen und/oder hydraulischen Druck durch das über die Einlassöffnung (130) zuzuführende Förderfluid (135) standzuhalten.Storage unit (100) for storing a fluid (120), the storage unit (100) having the following features:- a housing unit (107) having a cavity (115) for receiving the fluid (120);- a closure membrane (125) which is designed and/or arranged to enclose a fluid (120) in the cavity (115) in a fluid-tight manner in the cavity (115);- an inlet opening (130) in a wall of the housing unit (107) for introducing a conveying fluid (135) and exerting a pneumatic and/or hydraulic pressure through the conveying fluid (135) on the closure membrane (125), the closure membrane (125) fluidically separating the inlet opening (130) from the cavity (115); and- an opening element (148) for opening the closure membrane (125) when the closure membrane (125) is subjected to the pneumatic and/or hydraulic pressure, wherein the opening element (148) is arranged on a side of the closure membrane (125) opposite the inlet opening (130), characterized by- a pressure membrane (200) which is arranged between the inlet opening (130) and the closure membrane (125) and which is designed to be more tear-resistant than the closure membrane (125), in particular wherein the pressure membrane (200) is designed to withstand a pneumatic and/or hydraulic pressure from the conveying fluid (135) to be supplied via the inlet opening (130).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einer Bevorratungseinheit, einem Verfahren zur Herstellung einer Bevorratungseinheit sowie einem Verfahren zum Freisetzen eines in einer Bevorratungseinheit gelagerten Fluids nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch Computerprogramm.The invention is based on a storage unit, a method for producing a storage unit and a method for releasing a fluid stored in a storage unit according to the preamble of the independent claims. The subject of the present invention is also a computer program.
Vielfach werden mittlerweile moderne mikrofluidische Vorrichtungen für verschiedenste Zwecke verwendet, bei denen Flüssigkeiten auf einem Chip bereitgestellt oder transportiert werden müssen. Solche mikrofluidischen Vorrichtungen können beispielsweise bei sogenannten Lab-on-a-Chip-Systemen (LOCs) Anwendung finden, in denen die gesamte Funktionalität eines makroskopischen Labors auf einem beispielsweise Kreditkarten-großen Kunststoffsubstrat untergebracht wird und komplexe biologische, diagnostische, chemische oder physikalische Prozesse miniaturisiert ablaufen können.Modern microfluidic devices are now often used for a wide variety of purposes where liquids need to be provided or transported on a chip. Such microfluidic devices can be used, for example, in so-called lab-on-a-chip systems (LOCs), in which the entire functionality of a macroscopic laboratory is accommodated on a plastic substrate the size of a credit card, for example, and complex biological, diagnostic, chemical or physical processes can be carried out in a miniaturized manner.
In vielen Fällen bestehen LOC-Systeme aus polymerbasierten Mehrschichtaufbauten. Dieser Aufbau kann aus zwei Polymersubstraten, die Kavitäten in Form von Kammern und Kanälen beinhalten, bestehen. Zwischen den Polymersubstraten befindet sich eine flexible Polymermembran, die mithilfe von unterschiedlichen pneumatischen Druckniveaus in den angrenzenden Kavitäten ausgelenkt werden kann. Außerhalb der Kavitäten ist die Membran fest mit den angrenzenden Polymersubstraten (Deckel und Substrat) verbunden. Beispielsweise kann sich die flexible Membran durch das Anlegen von Druckluft in der ganzen Kammer ausbreiten und damit beispielsweise Flüssigkeiten verdrängen. Damit können Flüssigkeiten auf einem LOC-System über Kanäle von Kammer zu Kammer transportiert und Reservoire bzw. Kammern nahezu vollständig entleert werden. Mit dem gleichen Prinzip können auch pneumatisch gesteuerte Membranventile geöffnet oder geschlossen werden. In
Aus den Offenlegungsschriften
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Bevorratungseinheit, ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Bevorratungseinheit, weiterhin ein Verfahren zum Freisetzen eines in einer Bevorratungseinheit gelagerten Fluids und eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.Against this background, the approach presented here presents a storage unit, a method for producing such a storage unit, a method for releasing a fluid stored in a storage unit and a device that uses this method, as well as a corresponding computer program according to the main claims. The measures listed in the dependent claims enable advantageous further developments and improvements of the device specified in the independent claim.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft eine Bevorratungseinheit zum Bevorraten von einem Fluid in einem Analysesystem, wobei die Bevorratungseinheit die folgenden Merkmale aufweist:
- - eine Gehäuseeinheit, die eine Kavität zum Aufnehmen des Fluids aufweist;
- - eine Verschlussmembran, die ausgebildet und/oder angeordnet ist, um ein Fluid in der Kavität fluiddicht in der Kavität einzuschließen;
- - eine Einlassöffnung in einer Wand der Gehäuseeinheit zum Einleiten eines Förderfluids und Ausüben eines pneumatischen und/oder hydraulischen Drucks durch das Förderfluid auf die Verschlussmembran, wobei die Verschlussmembran die Einlassöffnung fluidisch von der Kavität trennt; und
- - ein Öffnungselement zum Öffnen der Verschlussmembran bei Beaufschlagung der Verschlussmembran mit dem pneumatischen und/oder hydraulischen Druck, wobei das Öffnungselement auf einer der Einlassöffnung gegenüberliegenden Seite der Verschlussmembran angeordnet ist.
- - a housing unit having a cavity for receiving the fluid;
- - a sealing membrane which is designed and/or arranged to enclose a fluid in the cavity in a fluid-tight manner in the cavity;
- - an inlet opening in a wall of the housing unit for introducing a conveying fluid and exerting a pneumatic and/or hydraulic pressure through the conveying fluid on the closure membrane, wherein the closure membrane fluidically separates the inlet opening from the cavity; and
- - an opening element for opening the closure membrane when the closure membrane is subjected to pneumatic and/or hydraulic pressure, wherein the opening element is arranged on a side of the closure membrane opposite the inlet opening.
Unter einem Fluid kann beispielsweise eine Flüssigkeit wie wässrige Lösungen, salzige Lösungen, Detergentien, Alkohol oder eine Säure verstanden werden, die für eine Reaktion im Analysesystem erforderlich ist. Das Fluid soll dabei beispielsweise zu einem bestimmten Zeitpunkt steuerbar freigesetzt werden können. Bei der Gehäuseeinheit kann es sich beispielsweise um einen Kunststoffelement (beispielsweise Thermoplaste wie PC, COP, COC, PP, PE, PET, ABS) handeln. Die Gehäuseeinheit ist beispielsweise aus mehreren Teilen zusammengesetzt oder zusammensetzbar. Unter einer Kavität kann beispielsweise ein Hohlraum oder eine Ausnehmung in der Gehäuseeinheit verstanden werden, die zur Aufnahme des Fluids vorgesehen ist. Unter einer Verschlussmembran kann beispielsweise eine Folie (beispielsweise eine Barrierefolie, Siegelfolie oder Polymerverbundfolie) verstanden werden, die ein in der Kavität gelagertes Fluid fluiddicht einschließt. Unter einer Einlassöffnung kann eine Öffnung in der Wand verstanden werden, durch welche ein (weiteres) Fluid in der Form des Förderfluids in das Innere der Bevorratungseinheit eingeleitet werden kann. Unter einem solchen Förderfluid kann beispielsweise ein Gas, wie vorzugsweise (Druck-) Luft oder eine Flüssigkeit eingeleitet werden. Unter einem Öffnungselement kann vorwiegend ein Vorsprung verstanden werden, der zum Öffnen oder zum Zerreißen der Verschlussmembran vorgesehen ist, wenn die Verschlussmembran unter Einwirkung des Förderfluids direkt oder indirekt auf diesen Vorsprung gedrückt wird. Hierzu kann der Vorsprung vorteilhafterweise Spitzen oder Kanten aufweisen, um ein definiertes Zerreißen der Verschlussmembran unter bestimmten Bedingungen sicherzustellen.A fluid can be understood as a liquid such as aqueous solutions, salty solutions, detergents, alcohol or an acid that is required for a reaction in the analysis system. The fluid should be able to be released in a controllable manner at a specific time, for example. The housing unit can be a plastic element (for example thermoplastics such as PC, COP, COC, PP, PE, PET, ABS). The housing unit is composed of several parts or can be composed. A cavity can be understood as a hollow space or a recess in the housing unit that is intended to hold the fluid. A sealing membrane can be a film, for example. (for example a barrier film, sealing film or polymer composite film) which encloses a fluid stored in the cavity in a fluid-tight manner. An inlet opening can be understood as an opening in the wall through which a (further) fluid in the form of the conveying fluid can be introduced into the interior of the storage unit. Such a conveying fluid can be, for example, a gas, such as preferably (compressed) air or a liquid. An opening element can primarily be understood as a projection which is intended to open or tear the sealing membrane when the sealing membrane is pressed directly or indirectly onto this projection under the action of the conveying fluid. For this purpose, the projection can advantageously have points or edges in order to ensure a defined tearing of the sealing membrane under certain conditions.
Der vorliegende Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass sehr präzise und genau zu einem bestimmten Zeitpunkt das Fluid in der Kavität freigesetzt werden kann, wenn ein Förderfluid durch die Einlassöffnung in der Wand der Gehäuseeinheit eingeleitet wird. In diesem Fall wird bewirkt, dass durch die mechanische Kopplung der Elemente der Bevorratungseinheit zeitnah die Verschlussmembran zerreißt und das in der Kavität gelagerte Fluid freigesetzt werden kann. Der hier vorgestellte Ansatz bietet den Vorteil, dass durch die sehr präzise Steuerung eines Förderfluids sehr einfach und präzise die gewünschte Menge des Fluids aus der Kavität freigegeben werden kann und für die Reaktion im Analysesystem dann zur Verfügung steht. Dies wiederum ermöglicht, eine gewünschte Reaktion mit bestimmten Reaktionsparametern präzise und steuerbar zu bewirken, sodass eine geringe Ausfallwahrscheinlichkeit des Analysesystems zu befürchten ist. Zugleich lässt sich die hier vorgestellte Bevorratungseinheit technisch sehr einfach und somit kostengünstig realisieren. Zusätzlich lassen sich Reagenzien langzeitstabil auf dem LOC-System lagern.The present approach is based on the knowledge that the fluid in the cavity can be released very precisely and at a specific time if a conveying fluid is introduced through the inlet opening in the wall of the housing unit. In this case, the mechanical coupling of the elements of the storage unit causes the sealing membrane to rupture promptly and the fluid stored in the cavity can be released. The approach presented here offers the advantage that the very precise control of a conveying fluid allows the desired amount of fluid to be released from the cavity very easily and precisely and is then available for the reaction in the analysis system. This in turn makes it possible to bring about a desired reaction with certain reaction parameters precisely and controllably, so that there is a low probability of failure of the analysis system. At the same time, the storage unit presented here is technically very simple and therefore inexpensive to implement. In addition, reagents can be stored on the LOC system with long-term stability.
Günstig ist eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der das Öffnungselement eine in Richtung der Verschlussmembran sich verjüngende Struktur aufweist, insbesondere wobei das Öffnungselement an einem der Verschlussmembran gegenüberliegenden Seite einen Trennabschnitt zum Trennen der Verschlussmembran aufweist. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil einer präzisen Öffnung der Verschlussmembran bei Einleiten eines bestimmten Volumens des Förderfluids durch die Einlassöffnung.An embodiment of the approach presented here is advantageous in which the opening element has a structure that tapers in the direction of the closure membrane, in particular wherein the opening element has a separating section for separating the closure membrane on a side opposite the closure membrane. Such an embodiment of the approach presented here offers the advantage of a precise opening of the closure membrane when a certain volume of the conveying fluid is introduced through the inlet opening.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes kann das Öffnungselement zumindest teilweise aus dem Material der Gehäuseeinheit, insbesondere einstückig mit einem Teil der Gehäuseeinheit hergestellt sein und/oder das Öffnungselement zumindest teilweise ein Metall aufweisen. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil einer technisch sehr einfachen Herstellung des Öffnungselements bei zugleich zur Sicherheit der gewünschten Funktion dieses Öffnungselements.According to a further embodiment of the approach presented here, the opening element can be made at least partially from the material of the housing unit, in particular in one piece with a part of the housing unit and/or the opening element can at least partially comprise a metal. Such an embodiment of the approach presented here offers the advantage of a technically very simple production of the opening element while at the same time ensuring the desired function of this opening element.
Besonders einfach und präzise lässt sich die Verschlussmembran öffnen, wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes das Öffnungselement in einem der Verschlussmembran gegenüberliegenden Bereich eine linienförmige Schneide aufweist.The closure membrane can be opened particularly easily and precisely if, according to a further embodiment of the approach presented here, the opening element has a linear cutting edge in an area opposite the closure membrane.
Denkbar ist auch eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei dem das Öffnungselement als Hohlnadel ausgebildet ist, insbesondere um bei einem Einsatz der Bevorratungsvorrichtung bei einem Öffnen der Verschlussmembran einen Kontakt des Förderfluids mit einem in der Kavität gelagerten Fluid zu ermöglichen. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet die Möglichkeit einer besonders guten Führung des Förderfluids und somit eines vorteilhaften Austreibens des Fluids aus der Kavität.An embodiment of the approach presented here is also conceivable in which the opening element is designed as a hollow needle, in particular to enable contact between the conveying fluid and a fluid stored in the cavity when the storage device is used and the closure membrane is opened. Such an embodiment of the approach presented here offers the possibility of particularly good guidance of the conveying fluid and thus advantageous expulsion of the fluid from the cavity.
Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes das Öffnungselement sich von einem im Wesentlichen ebenen Bodenbereich in Richtung der Verschlussmembran hin erstrecken. Unter einem ebenen Bodenbereich kann beispielsweise ein Bereich des Bodens der Kavität verstanden werden, bei dem auf gegenüberliegenden Seiten des Öffnungselement der Boden der Kavität oder Ausnehmung eine im Wesentlichen gleiche Tiefe in Bezug auf ein der Verschlussmembran gegenüberliegendes Ende des Öffnungselements aufweist. Beispielsweise sollte die Tiefe der Kavität oder Ausnehmung um nicht mehr als 10 % auf beiden gegenüberliegenden Seiten des Öffnungselements abweichen.According to a further embodiment of the approach presented here, the opening element can also extend from a substantially flat bottom region in the direction of the closure membrane. A flat bottom region can be understood, for example, as a region of the bottom of the cavity in which, on opposite sides of the opening element, the bottom of the cavity or recess has a substantially equal depth in relation to an end of the opening element opposite the closure membrane. For example, the depth of the cavity or recess should not deviate by more than 10% on both opposite sides of the opening element.
Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform das Öffnungselement einem Rand der Kavität bilden. Hierdurch wird ein sehr einfaches und störungsfreies Ausleiten des Fluids aus der Kavität ermöglicht.According to a further embodiment, the opening element can also form an edge of the cavity. This enables the fluid to be discharged from the cavity very easily and without disruption.
Besonders einfach kann das in der Kavität gelagerte Fluid freigesetzt werden, wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes die Verschlussmembran durch das Öffnungselement vorgespannt ist.The fluid stored in the cavity can be released particularly easily if, according to another embodiment of the approach presented here, the closure membrane is prestressed by the opening element.
Technisch besonders einfach herstellen lässt sich eine Bevorratungseinheit dann, wenn gemäß einer Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes die Gehäuseeinheit eine Fluidaufnahmeteileinheit und eine Deckeleinheit aufweist, wobei die Fluidaufnahmeeinheit die mit der Verschlussmembran verschließbare und/oder verschlossene Kavität umfasst und wobei die Deckeleinheit die Einlassöffnung aufweist. Dabei kann die Fluidaufnahmeteileinheit und die Deckeleinheit je eine Komponente der Gehäuseeinheit bilden, die in einem finalen Herstellungsschritt zusammengefügt werden.A storage unit can be manufactured particularly easily from a technical perspective if, according to one embodiment of the approach presented here, the housing unit has a fluid receiving part unit and a cover unit, wherein the fluid receiving unit comprises the cavity that can be closed and/or is closed with the closure membrane and wherein the cover unit has the inlet opening. The fluid receiving sub-unit and the cover unit can each form a component of the housing unit, which are joined together in a final manufacturing step.
Ferner ist eine Druckmembran vorgesehen, die zwischen der Einlassöffnung und der Verschlussmembran angeordnet ist, und die gegenüber der Verschlussmembran reißfester ausgestaltet ist. Dabei kann die Druckmembran ausgebildet sein, um einem pneumatischen und/oder hydraulischen Druck durch das über die Einlassöffnung zuzuführende Förderfluid standzuhalten. Unter einer solchen Druckmembran kann eine Folie (beispielsweise aus einem thermoplastischen Elastomer wie TPU, TPS, TPV...) verstanden werden, die mechanisch sehr belastbar ist und durch einen zu erwartenden pneumatischen und/oder hydraulischen Druck durch das Förderfluid gewöhnlich nicht bersten wird. Dies bietet den Vorteil, eine Trennung zwischen dem Förderfluid und dem Fluid beim Freisetzen des Fluids aus der Kavität sicherstellen zu können. Hierdurch wird eine Verunreinigung des Fluids vermieden. Zugleich kann ein vollständiges Austreiben des gesamten in der Kavität befindlichen Volumens des Fluids mit technisch einfachen Mitteln sichergestellt. Dabei kann günstigerweise die Druckmembran für das in der Kavität gelagerte oder zu lagernde Fluid fluiddicht ausgestaltet ist.Furthermore, a pressure membrane is provided which is arranged between the inlet opening and the closure membrane and which is designed to be more tear-resistant than the closure membrane. The pressure membrane can be designed to withstand pneumatic and/or hydraulic pressure from the conveying fluid to be supplied via the inlet opening. Such a pressure membrane can be understood as a film (for example made of a thermoplastic elastomer such as TPU, TPS, TPV...) which is mechanically very resilient and will not usually burst due to expected pneumatic and/or hydraulic pressure from the conveying fluid. This offers the advantage of being able to ensure a separation between the conveying fluid and the fluid when the fluid is released from the cavity. This prevents contamination of the fluid. At the same time, complete expulsion of the entire volume of fluid in the cavity can be ensured using technically simple means. The pressure membrane can advantageously be designed to be fluid-tight for the fluid stored or to be stored in the cavity.
Besonders zuverlässig kann das Zerreißen oder Bersten der Druckmembran an dem Öffnungselement verhindert werden, wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes die Druckmembran an einem Befestigungsabschnitt an der Gehäuseeinheit befestigt ist, wobei zumindest zwei auf gegenüberliegenden Seiten des Befestigungsabschnitts angeordnete Teilabschnitte der Druckmembran bei einem Einströmen des Förderfluids durch die Einlassöffnung in Richtung der Verschlussmembran beweglich sind.The tearing or bursting of the pressure membrane on the opening element can be prevented particularly reliably if, according to a further embodiment of the approach presented here, the pressure membrane is fastened to a fastening section on the housing unit, wherein at least two partial sections of the pressure membrane arranged on opposite sides of the fastening section are movable in the direction of the closure membrane when the conveying fluid flows in through the inlet opening.
Sehr sicher und gegebenenfalls unter Einwirkung der Schwerkraft lässt sich das Fluid aus der Kavität ausleiten, wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes eine Auslassöffnung zum Freigeben des in der Kavität speicherbaren oder gespeicherten Fluids vorgesehen ist, wobei die Auslassöffnung in einem Bereich der Befestigung der Verschlussmembran an einem Teil der Gehäuseeinheit vorgesehen ist.The fluid can be discharged from the cavity very safely and, if necessary, under the influence of gravity if, according to a further embodiment of the approach presented here, an outlet opening is provided for releasing the fluid that can be stored or is stored in the cavity, wherein the outlet opening is provided in a region of the attachment of the closure membrane to a part of the housing unit.
Von Vorteil ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes als Verfahren zum Herstellen einer Bevorratungseinheit gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei für das Verfahren Komponenten der Gehäuseeinheit bereitgestellt werden, wobei zumindest eine Komponente der Gehäuseeinheit die Kavität und das Öffnungselement und eine Komponente der Gehäuseeinheit die Einlassöffnung aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist;
- - Einfüllen des Fluids in die Kavität der Komponente der Gehäuseeinheit;
- - Fluiddichtes Verschließen der Kavität in der Komponente der Gehäuseeinheit mit der Verschlussmembran; und
- - Zusammenfügen der Komponenten der Gehäuseeinheit, um die Bevorratungseinheit herzustellen.
- - Filling the fluid into the cavity of the housing unit component;
- - Fluid-tight sealing of the cavity in the housing unit component with the sealing membrane; and
- - Assembling the components of the housing unit to create the storage unit.
Durch ein solches Verfahren zum Herstellen der Bevorratungseinheit lässt sich diese Bevorratungseinheit sehr kostengünstig herstellen, wobei dennoch eine präzise Funktion dieser Bevorratungseinheit, also ein steuerbares Freisetzen des in der Bevorratungseinheit gelagerten Fluids möglich wird.By means of such a method for producing the storage unit, this storage unit can be manufactured very cost-effectively, while nevertheless a precise function of this storage unit, i.e. a controllable release of the fluid stored in the storage unit, is possible.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes kann auch ein Verfahren zum Freisetzen eines in einer bereitgestellten Bevorratungseinheit gemäß einer hier vorgestellten Ausführungsform gelagerten Fluids vorgesehen sein, wobei das Verfahren den folgenden Schritt aufweist:
- - Einleiten eines Förderfluids in die Einlassöffnung, um die Verschlussmembran durch pneumatischen und/oder hydraulischen Druck an das Öffnungselement zu drücken und hierdurch die Verschlussmembran zu öffnen, um das Fluid n der Kavität freizusetzen.
- - Introducing a conveying fluid into the inlet opening in order to press the sealing membrane against the opening element by pneumatic and/or hydraulic pressure and thereby open the sealing membrane to release the fluid into the cavity.
Eine solche Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes bietet ebenfalls den Vorteil einer besonders präzisen und steuerbaren Freisetzung des Fluids in der Bevorratungseinheit.Such an embodiment of the approach proposed here also offers the advantage of a particularly precise and controllable release of the fluid in the storage unit.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes kann ein Schritt des Absaugens des Fluids durch einen Auslasskanal der Bevorratungseinheit erfolgen.According to a particular embodiment of the approach presented here, a step of sucking off the fluid can be carried out through an outlet channel of the storage unit.
Diese Verfahren können beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.These methods can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixture of software and hardware, for example in a control unit.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.The approach presented here also creates a device that is designed to carry out, control or implement the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices. This embodiment of the invention in the form of a device can also quickly and efficiently solve the problem underlying the invention.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.In the present case, a device can be understood as an electrical device that processes sensor signals and outputs control and/or data signals depending on them. The device can have an interface that can be designed as hardware and/or software. In a hardware design, the interfaces can, for example, be part of a so-called system ASIC, which contains a wide variety of functions of the device. However, it is also possible for the interfaces to be separate integrated circuits or to consist at least partially of discrete components. In a software design, the interfaces can be software modules that are present, for example, on a microcontroller alongside other software modules.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.Also advantageous is a computer program product or computer program with program code that can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and is used to carry out, implement and/or control the steps of the method according to one of the embodiments described above, in particular when the program product or program is executed on a computer or device.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
-
1A -C Querschnittsdarstellungen durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Bevorratungseinheit; -
2A -C Querschnittsdarstellungen durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Bevorratungseinheit; -
3A -C Querschnittsdarstellungen durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Bevorratungseinheit; -
4A -C Querschnittsdarstellungen durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Bevorratungseinheit; -
5A -C Querschnittsdarstellungen durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Bevorratungseinheit; -
6A -C Querschnittsdarstellungen durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Bevorratungseinheit; -
6D eine Draufsichtdarstellung auf das Ausführungsbeispiel einer Bevorratungseinheit aus den6A -C; -
7A -C Querschnittsdarstellungen durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Bevorratungseinheit; -
8A -E Querschnittsansichten von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen von Öffnungselementen zur Verwendung in einem Ausführungsbeispiel einer Bevorratungseinheit; -
9A -E Draufsichtdarstellungen von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen von Öffnungselementen zur Verwendung in einem Ausführungsbeispiel einer Bevorratungseinheit; -
10-11 Ablaufdiagramme von Verfahren gemäß Ausführungsbeispielen des hier vorgestellten Ansatzes; und -
12-13 Blockschaltbilder von Vorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen des hier vorgestellten Ansatzes.
-
1A -C cross-sectional views through a first embodiment of a storage unit; -
2A -C cross-sectional views through another embodiment of a storage unit; -
3A -C cross-sectional views through another embodiment of a storage unit; -
4A -C cross-sectional views through another embodiment of a storage unit; -
5A -C cross-sectional views through another embodiment of a storage unit; -
6A -C cross-sectional views through another embodiment of a storage unit; -
6D a top view of the embodiment of a storage unit from the6A -C; -
7A -C cross-sectional views through another embodiment of a storage unit; -
8A -E cross-sectional views of different embodiments of opening elements for use in an embodiment of a storage unit; -
9A -E are plan views of different embodiments of opening elements for use in an embodiment of a storage unit; -
10-11 Flowcharts of methods according to embodiments of the approach presented here; and -
12-13 Block diagrams of devices according to embodiments of the approach presented here.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger 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.In the following description of advantageous embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and having a similar effect, whereby a repeated description of these elements is omitted.
Innerhalb der Kavität 115 befindet sich außerdem ein Öffnungselement 148, ein Halteelement 150 mit einem Schneidelement 155 aufweist, wobei das Schneidelement 155 dazu geeignet ist, die Siegelfolie bzw. Verschlussmembran 125 unter mechanischer Belastung zu durchtrennen oder zu perforieren. Das Schneidelement 155 kann als Öffnungselement 148 beispielsweise auch einstückig mit dem Halteelement 150 oder gar einstückig mit dem Halteelement 150 und dem zweiten Polymersubstrat 110 ausgeformt sein und punkt- oder linienförmig wirken. Das Schneidelement 155 kann dabei aus dem gleichen Material wie das Halteelement 150 bestehen, z. B. einem Polymer, oder beispielsweise in Form einer Metallschneide ausgeführt sein.Also located within the cavity 115 is an opening element 148, which has a holding element 150 with a cutting element 155, the cutting element 155 being suitable for cutting through or perforating the sealing film or closure membrane 125 under mechanical stress. The cutting element 155 can be formed as an opening element 148, for example, in one piece with the holding element 150 or even in one piece with the holding element 150 and the second polymer substrate 110 and can have a point-like or linear effect. The cutting element 155 can be made of the same material as the holding element 150, e.g. a polymer, or can be designed in the form of a metal cutting edge, for example.
Um die vorgelagerte Flüssigkeit 125 über den Auslasskanal 145 bereitzustellen, wird über den Zugang 130 ein pneumatischer Überdruck angelegt, welcher dazu führt, dass die Siegelfolie bzw. Verschlussmembran 125 eine Kraft in Richtung der Kavität 115 erfährt. Hierdurch kommt es insbesondere im Bereich der Auflagefläche des Schneidelements 155 des Öffnungselementes 148 zu Spannungen, die ab einem gewissen pneumatischen Druck des Förderfluids 135 so stark werden, dass die Siegelfolie bzw. Verschlussmembran 125 durchtrennt wird. Infolgedessen wird die Siegelfolie 125 in Richtung des (im Wesentlichen ebenen) Bodens 160 der Kavität 115 in die Kavität 115 verdrängt und die Flüssigkeit bzw. allgemeiner das Fluid 120 wird freigegeben.In order to provide the upstream liquid 125 via the outlet channel 145, a pneumatic overpressure is applied via the access 130, which causes the sealing film or sealing membrane 125 to experience a force in the direction of the cavity 115. This leads to tensions, particularly in the area of the contact surface of the cutting element 155 of the opening element 148, which become so strong from a certain pneumatic pressure of the conveying fluid 135 that the sealing film or sealing membrane 125 is severed. As a result, the sealing film 125 is displaced into the cavity 115 in the direction of the (essentially flat) bottom 160 of the cavity 115 and the liquid or, more generally, the fluid 120 is released.
Ein wichtiges Ziel des hier vorgestellten Ansatzes kann darin gesehen werden, dass eine pneumatisch-mechanische Bereitstellung von Flüssigreagenzien für LoC-Systeme möglich wird, um flüssige Reagenzien für LoC-Anwendungen langzeitstabil zu lagern und bei Bedarf bereitzustellen und gleichzeitig eine effiziente Entleerung der Reservoire sicherzustellen.An important goal of the approach presented here can be seen in the fact that a pneumatic-mechanical provision of liquid reagents for LoC systems becomes possible in order to store liquid reagents for LoC applications in a long-term stable manner and to provide them on demand while ensuring efficient emptying of the reservoirs.
Dabei ermöglicht der hier vorgestellte Ansatz in polymerbasierten, mikrofluidischen LoC-Systemen (z. B. Kreditkarten-große LoC-Kartuschen) eine langzeitstabile Lagerung und zuverlässige Bereitstellung von Flüssigreagenzien. Die Flüssigkeit, d. h. vorliegend das Fluid 120, wird in einem Reservoir, d. h., vorliegend der Kavität 115, gelagert und mit einer Barrierefolie als Verschlussmembran 125 versiegelt. Bei der Barrierefolie 125 handelt es sich beispielsweise um eine Polymerverbundfolie, die aus einer Siegelschicht (Polypropylen, Polyethylen, Heißkleber, ... ) und aus einer Aluminiumschicht bestehen. Optional wird die Aluminiumschicht zusätzlich mit einer Schutzschicht aus PET oder Lack versehen. Im Reservoir 115 befinden sich mechanische Anschläge wie das Öffnungselement 148, das beispielsweise als Spitze oder Hohlnadel ausgestaltet ist, welche durch eine pneumatische Auslenkung der Barrierefolie 125 bzw. flexiblen Membran, die hier als Druckmembran ausgestaltet ist, zu einer lokalen Spannungsüberhöhung der Barrierefolie 125 führen. Dies führt bei Erreichen eines definierten pneumatischen Drucks zu einem Aufbrechen der Barrierefolie 125 und nach Wegfallen der pneumatischen Drucks zu einer Freigabe der Flüssigkeit 120. Diese kann neben einer möglichen Schwerkraftentleerung auch aktiv angesaugt werden für die weitere Prozessierung in einer Analyseeinheit. Dieses Ansaugen kann auch ohne eine flexible Membran erfolgen. Die Auslenkung der Barrierefolie 125 durch pneumatischen Druck durch das Förderfluid 135 gegen mechanische Anschläge, Spitzen oder Hohlnadeln als Öffnungselemente 148 im Reservoir 115 zur Spannungsüberhöhung der Barrierefolie 125 und damit resultierender Reagenzfreigabe stellen einen Hauptaspekt des hier vorgestellten Ansatzes dar.The approach presented here enables long-term stable storage and reliable provision of liquid reagents in polymer-based, microfluidic LoC systems (e.g. credit card-sized LoC cartridges). The liquid, i.e. in this case the fluid 120, is stored in a reservoir, i.e. in this case the cavity 115, and sealed with a barrier film as a sealing membrane 125. The barrier film 125 is, for example, a polymer composite film consisting of a sealing layer (polypropylene, polyethylene, hot melt adhesive, ...) and an aluminum layer. Optionally, the aluminum layer is additionally provided with a protective layer made of PET or varnish. In the reservoir 115 there are mechanical stops such as the opening element 148, which is designed as a tip or hollow needle, for example, which lead to a local increase in the stress of the barrier film 125 through a pneumatic deflection of the barrier film 125 or flexible membrane, which is designed here as a pressure membrane. When a defined pneumatic pressure is reached, this leads to the barrier film 125 breaking open and, once the pneumatic pressure is removed, to the release of the liquid 120. In addition to possible gravity emptying, this can also be actively sucked in for further processing in an analysis unit. This suction can also take place without a flexible membrane. The deflection of the barrier film 125 by pneumatic pressure through the conveying fluid 135 against mechanical stops, tips or hollow needles as opening elements 148 in the reservoir 115 to increase the tension of the barrier film 125 and the resulting reagent release represents a main aspect of the approach presented here.
Der hier vorgestellte Ansatz biete dabei mehrere Vorteile:
- - Es braucht keine vorangehende Strukturierung der Barrierefolie 125 zur Erzeugung einer Sollbruchstelle erfolgen. Dies führt zu einer drastischen Vereinfachung des Fertigungsprozesses und damit zu einer Reduktion der Herstellkosten.
- - Auf eine Bereitstellungskammer kann verzichtet werden, was zu einer deutlichen Flächenreduktion führt. Hierdurch werden die Herstell-, Lager- und Transportkosten einer Kartusche verringert.
- - Alle Elemente, die zum Aufbrechen der Barrierefolie 125 dienen sollen, wie beispielsweise Spitzen, Hohlnadeln oder Zacken können direkt auf dem Chip bzw. einer entsprechend ausgestalteten Gehäuseeinheit 107 oder Komponenten davon wie der Deckeleinheit 105 und oder der Fluidaufnahmeeinheit 110, durch Spritzguss erfolgen. Auch hier ist kein zusätzlicher Prozessschritt notwendig bei der Einbringung einer Sollbruchstelle.
- - Die Vorlagerung der Flüssigreagenzien 120 kann direkt auf dem Chip also der Bevorratungsvorrichtung 100 erfolgen, die beispielsweise integraler Bestandteil der Analyseeinheit sein kann. Es sind keine separaten Behältnisse (Blister, Stickpacks) erforderlich. Hierdurch werden die Produktionskosten deutlich gesenkt.
- - Auf einen externen mechanischen beweglichen Aktuator (z. B. Stempel) zum Entleeren der Flüssigkeit 120 kann verzichtet werden, was Kontaminationsrisiken von außen und die Komplexität der externen Steuereinheit reduziert. Hierdurch werden Kosten gesenkt und eine größere Sicherheit im Betrieb erreicht.
- - There is no need for prior structuring of the barrier film 125 to create a predetermined breaking point. This leads to a drastic simplification of the manufacturing process and thus to a reduction in manufacturing costs.
- - A supply chamber can be dispensed with, which leads to a significant reduction in space. This reduces the manufacturing, storage and transport costs of a cartridge.
- - All elements intended to break open the barrier film 125, such as tips, hollow needles or spikes, can be injection molded directly onto the chip or a correspondingly designed housing unit 107 or components thereof such as the cover unit 105 and/or the fluid intake unit 110. Here, too, no additional process step is necessary when introducing a predetermined breaking point.
- - The liquid reagents 120 can be stored directly on the chip, i.e. the storage device 100, which can be an integral part of the analysis unit, for example. No separate containers (blisters, stick packs) are required. This significantly reduces production costs.
- - An external mechanical moving actuator (e.g. piston) for emptying the liquid 120 can be omitted, which reduces the risk of external contamination and the complexity of the external control unit. This reduces costs and achieves greater operational safety.
Verschlussmembran 125 wirkt, sondern zunächst nur auf die Polymermembran bzw. Druckmembran 200. Die Polymermembran bzw. Druckmembran 200 ist dabei im Bereich gegenüber der Kavität 115 nicht mit dem ersten Polymersubstrat 105 verbunden. Durch die Elastizität der Polymermembran bzw. Druckmembran 200 wird die wirkende Kraft direkt auf die Siegelfolie bzw. Verschlussmembran 125 übertragen, bis diese vom Schneidelement 155 des Öffnungselementes 148 durchtrennt wird. Anschließend dehnt sich die Polymermembran bzw. Druckmembran 200 in die Kavität 115 aus (siehe
Alternativ zu den vorangegangenen und nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen kann der pneumatische Druck des Förderfluids 135 über Zugang bzw. die Einlassöffnung 130 nach dem Öffnen der Siegelfolie bzw. Verschlussmembran 125 zurückgenommen werden und die Flüssigkeit 120 in der Kavität 115 beispielsweise durch eine in den Figuren nicht dargestellte nachgeschaltete mikrofluidische Pumpe entleert werden. Hierzu ist es besonders vorteilhaft, einen zusätzlichen Entlüftungskanal zwischen dem ersten Substrat 105 (Deckelelement) und dem zweiten Substrat 110 (Fluidaufnahmeelement) der Gehäuseeinheit 107 vorzusehen.As an alternative to the embodiments described above and below, the pneumatic pressure of the conveying fluid 135 can be reduced via access or the inlet opening 130 after opening the sealing film or closure membrane 125 and the liquid 120 in the cavity 115 can be emptied, for example by a downstream microfluidic pump not shown in the figures. For this purpose, it is particularly advantageous to provide an additional venting channel between the first substrate 105 (cover element) and the second substrate 110 (fluid receiving element) of the housing unit 107.
Die Teilfiguren der
Die Teilfiguren der
Die Teilfiguren der
Die Teilfiguren der
Die Teilfiguren der
Beispielhafte Abmessungen der unterschiedlichen Komponente der vorstehend genannten Ausführungsbeispiele können wie folgt angegeben werden:
- Dicke Polymersubstrat (Deckelelement 105 oder Fluidaufnahmelement 110); 0,5 bis 5 mm
- Volumen des Fluids 120, das in der Kavität 115 vorgelagert wird: 5µl-10ml Flexible Polymermembran: thermoplastische Elastomere (TPU, TPS, TPV), Silikon, PDMS, Elastomere...
- Dicke Polymermembran (Druckmembran): 5 bis 1mm Polymersubstrate (Deckelelement, Fluidaufnahmeelement, Zweichenträgerelement): COP, COC, PP, PE, PC, PET, ABS
- Thickness of polymer substrate (cover element 105 or fluid receiving element 110); 0.5 to 5 mm
- Volume of fluid 120 stored in cavity 115: 5µl-10ml Flexible polymer membrane: thermoplastic elastomers (TPU, TPS, TPV), silicone, PDMS, elastomers...
- Thickness of polymer membrane (pressure membrane): 5 to 1mm Polymer substrates (cover element, fluid absorption element, cell carrier element): COP, COC, PP, PE, PC, PET, ABS
Die Schneidelemente 155 bzw. 155` der Öffnungselemente 148 bzw. 148` können aus den gleichen Polymeren wie die Substrate 105, 110 bzw. 700 im Spritzguss hergestellt werden. Darüber hinaus könne diese Schneidelemente 155 bzw. 155` auch aus Metall(en) wie Stahl, Edelstahl, Aluminium, Gold, Silber, Kupfer, Titan bestehen, die beispielsweise vor dem Spitzgussprozess direkt in oder an den Halteelementen 150 versenkt werden können, um das jeweils betreffende Öffnungselement 148 herzustellen. Die Schneidelemente 155 bzw. 155` können ebenfalls durch andere Fügeverfahren (beispielsweise ein Kleben) in den Polymersubstraten 105, 110 oder 700 angebracht werden.The cutting elements 155 and 155' of the opening elements 148 and 148' can be manufactured from the same polymers as the substrates 105, 110 and 700 by injection molding. In addition, these cutting elements 155 and 155' can also consist of metal(s) such as steel, stainless steel, aluminum, gold, silver, copper, titanium, which can be countersunk directly into or onto the holding elements 150 before the injection molding process, for example, in order to produce the respective opening element 148. The cutting elements 155 and 155' can also be attached to the polymer substrates 105, 110 or 700 by other joining methods (for example, gluing).
In Bezug auf die Verschlussmembran als vorzugsweise mehrschichtige Siegelfolie lässt sich Folgendes beispielhaft nennen
Dicke Barriereschicht (i.d.R. Alu): 10 µm bis 500 µm
Dicke Siegelschicht (z.B. PP, PE, Heißkleber): 5 µm bis 500 µm
Dicke Schutzschicht (z.B. PET, Polyester, PP, PE, Schutzlack) : 5 µm bis 500 µmWith regard to the sealing membrane as a preferably multi-layer sealing film, the following can be mentioned as an example
Thickness of barrier layer (usually aluminum): 10 µm to 500 µm
Thickness of sealing layer (e.g. PP, PE, hot glue): 5 µm to 500 µm
Thickness of protective layer (e.g. PET, polyester, PP, PE, protective varnish): 5 µm to 500 µm
Neben den Ausführungsbeispielen sind beliebig andere geometrische Verbindungen zwischen Polymermembran (Druckmembran) und Polymersubstrat (Deckelelement, Fluidaufnahmeelement) möglich, um die Vorzugsrichtung der Membran 125 bzw. 200 sowie ihre Auslenkung zu begünstigen. Die benötigten Polymersubstrate (Ausgangsmaterial) und die benötigten Strukturen wie die Öffnungselemente 148 in den Polymersubstraten 105, 110 oder 700 können beispielsweise durch Fräsen, Spritzguss, Heißprägen oder Laserstrukturierung erzeugt werden. Die Durchbrüche 130 der Polymermembran bzw. des Deckelelementes 105 können durch Stanzen oder Laserstrukturierung erzeugt werden.In addition to the exemplary embodiments, any other geometric connections between the polymer membrane (pressure membrane) and the polymer substrate (cover element, fluid absorption element) are possible in order to promote the preferred direction of the membrane 125 or 200 and its deflection. The required polymer substrates (starting material) and the required structures such as the opening elements 148 in the polymer substrates 105, 110 or 700 can be produced, for example, by milling, injection molding, hot stamping or laser structuring. The openings 130 in the polymer membrane or the cover element 105 can be produced by punching or laser structuring.
In Bezug auf die Geometrie der Schneideelemente (Anschläge, Spitzen oder Hohlnadeln) der Öffnungselemente lässt sich folgendes anmerken.With regard to the geometry of the cutting elements (stops, tips or hollow needles) of the opening elements, the following can be noted.
In den Ausführungsbeispielen gemäß den
In Bezug auf die Ausführungsbeispiele aus der
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an embodiment includes an “and/or” connection between a first feature and a second feature, this is to be read as meaning that the embodiment according to one embodiment has both the first feature and the second feature and according to another embodiment has either only the first feature or only the second feature.
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