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Die Erfindung betrifft einen Probenbehälter mit einer Siegelfolie, die insbesondere zum thermischen Versiegeln einer Kavität eines Probenträgers dient, sowie mit einem solchen Probenträger, der wenigstens eine Kavität aufweist.
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In
DE 10 2013 113 285 A1 ist eine erste Folieneinheit mit einer ein- oder mehrschichtigen ersten Folie aus Kunststoff auf mindestens einer Außenseite dieser ersten Folieneinheit zur Verbindung mit mindestens einer ein- oder mehrschichtigen zweiten Folie aus Kunststoff auf einer Außenseite einer zweiten Folieneinheit beschrieben. Die erste Folie weist dabei auf einer der zweiten Folie zugewandten Außenseite eine thermisch aktivierbare Außenschicht auf, welche durch thermische Aktivierung und Druckausübung mit der zweiten Folie verbindbar ist. Diese Außenschicht enthält dabei mindestens ein Polyolefin-Plastomer (POP) und/oder ein Polyolefin-Elastomer (POE).
DE 10 2013 113 285 A1 beschreibt dabei auch einen entsprechenden Folienverbund, Verwendungen sowie Herstellungsverfahren.
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EP1426181 A1 beschreibt eine Polyolefin-Verpackungsfolie der Art, die eine Außenschicht und eine Innenschicht umfasst, die beide ein thermoplastisches Polyolefin enthalten, und worin die Schmelztemperatur der Innenschicht niedriger ist als die Glasübergangstemperatur der Außenschicht, und worin mindestens 50 Gew.-% des gesamten Polyolefingehalts der Außenschicht aus mindestens einem Cycloolefin-Copolymer (COC) bestehen, was hohe Verpackungsraten und dicht schließende Dichtungen beim Verschließen von insbesondere Lebensmittelverpackungen ermöglicht. Die hohe Glasübergangstemperatur der Außenschicht ermöglicht die Nutzung sehr hoher Siegeltemperaturen, ohne dass die Folie schmilzt und an den Siegelschienen haftet, und bietet eine gute Streckstabilität und Schneidfähigkeit. Vorzugsweise enthalten die Außenschicht oder sowohl die Außenschicht als auch die Innenschicht ein Cycloolefin-Copolymer und mittels verschiedener Folien, die zwischen der Außenschicht und der Innenschicht eingefügt werden, können die Eigenschaften der Verpackungsfolie, wie z.B. Zugfestigkeit, Sauerstoffbarriere, Wasserdampfbarriere, Dicke und Dehnbarkeit, für den gewünschten Zweck ausgelegt werden. Die Verpackungsfolie wird entweder durch Blas- oder Flachfolien-Coextrusion coextrudiert und wird speziell für die Verpackung von Lebensmitteln eingesetzt.
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WO 2004/110746 A1 beschreibt ein kaltverformbares Laminat für die Herstellung von Behältern zur Verpackung von pharmazeutischen und medizintechnischen Produkten und Diagnostika. Dieses weist eine Aluminiumfolie mit einer auf einer ersten Seite angeordneten biaxial gereckten Kunststofffolie als Aussenschicht und einer auf der zweiten Seite angeordneten Siegelschicht auf. Die Aluminiumfolie ist mit der biaxial gereckten Kunststofffolie durch Extrusionskaschierung verbunden, oder die biaxial gereckte Kunststofffolie ist mit einem Polyolefin extrusionsbeschichtet und gegen die Aluminiumfolie lackkaschiert. Das Laminat lässt eine gegenüber Laminaten nach dem Stand der Technik um mindestens 15% höhere Kaltverformung zu und zeigt eine verbesserte Delam inationsbeständigkeit.
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Zu Diagnosezwecken kommen bereits sogenannte mikrofluidische Probenträger zum Einsatz, die durch ein Substrat gebildet sind, in das eine Anzahl von Kanalstrukturen und/oder Kammern (im Folgenden allgemein als „Kavität“ bezeichnet) eingebracht ist. In diesen Kavitäten können bspw. Bestandteile einer Flüssigkeit separiert und/oder zu (weiteren) Testkammern geleitet werden. Um ein abgeschlossenes Kanalsystem auszubilden, werden diese Kavitäten mit einer Siegelfolie abgedeckt, die üblicherweise mit dem Substrat verbunden wird. Dabei ist es wichtig, dass ein vorgegebener Kanalquerschnitt auch nach dem Abdecken mit der Siegelfolie beibehalten wird, um einen vorgegebenen Strömungswiderstand für das in der jeweiligen Kavität geführte Fluid einzuhalten.
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Um solche Probenträger wirtschaftlich herstellen zu können, sind diese meist als Spritzgießbauteil, Heißprägebauteil oder als thermogeformte Kunststofffolie (mithin aus Kunststoff) ausgebildet. Dadurch bietet sich eine thermische Versiegelung der Kanalstrukturen mittels der Siegelfolie an. Dazu werden die Siegelfolie und gegebenenfalls auch das Substrat erwärmt und aufeinander gepresst. Die Siegelfolie und das Substrat gehen dabei üblicherweise eine stoffschlüssige Verbindung ein. Aufgrund der Erwärmung wird allerdings auch das Risiko erhöht, dass die Kavitäten aufgrund ihrer häufig im Bereich von weniger als einem Millimeter liegenden Breiten durch Verformung des Substrats selbst oder von der über eine sogenannte Glasübergangstemperatur erwärmten Siegelfolie zu einem großen Teil oder ganz verschlossen werden.
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Aus diesem Grund sind auch aus dem Bereich der Lebensmittelverpackung bekannte Siegelfolien, die zum Ausgleich von Oberflächen-Ungenauigkeiten des Substrats eine vergleichsweise dicke Schicht aus einem leicht schmelzbaren Material (zum Beispiel einem Heißsiegellack) aufweisen, ungünstig. Denn das unter der aufgebrachten Heiztemperatur aufgeschmolzene und unter dem aufgebrachten Siegeldruck verlaufende („verquetschte“) Material würde zu einem nur schwer beherrschbaren Verschließen der im Bereich weniger Mikrometer bis etwa 2000 Mikrometer liegenden Abmessungen (insbesondere Breiten) der Kavitäten des mikrofluidischen Probenträgers führen.
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Deshalb wird teilweise versucht, ein vorgegebene Toleranzen überschreitendes Einfließen von erweichten Teilen der Siegelfolie in die Kavitäten dadurch zu unterbinden, dass eine vergleichsweise steife Siegelfolie, bspw. auch das gleiche Material wie für das Substrat - z. B. ein Cyclo-Olefin-Copolymer („COC“) - herangezogen wird. Hierbei tritt häufig jedoch das Problem auf, dass die vorstehend angesprochenen Oberflächen-Ungenauigkeiten aufgrund der vergleichsweise hohen Steifigkeit der Siegelfolie nicht ausgeglichen werden können und somit ein dichtes Verschließen der Kanalstrukturen nicht sichergestellt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Versiegelung einer Kavität eines Probenträgers zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Probenbehälter mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte sowie teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
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Die Siegelfolie dient zum thermischen Versiegeln einer Kavität eines Probenträgers. Dazu weist die Siegelfolie eine Siegelschicht zur Ausbildung einer Haftverbindung zu dem Probenträger auf. Die Siegelschicht (insbesondere deren Material) weist dabei eine Erweichungstemperatur auf, die im Bereich von oder unterhalb einer Siegeltemperatur liegt, auf die die Siegelschicht während eines bestimmungsgemäßen Siegelschritts eines Siegelprozesses erwärmt ist. Vorzugsweise ist das Material der Siegelschicht zu einem den Probenträger bildenden Material klebfähig gewählt. Außerdem weist die Siegelfolie eine Außenschicht auf, die (insbesondere deren Material) wiederum eine Einsatztemperatur aufweist, die - für eine zumindest kurzzeitige Temperaturbelastung - größer als eine bestimmungsgemäße Siegelheiztemperatur ist, die größer oder gleich der Siegeltemperatur ist. Des Weiteren weist die Siegelfolie eine Höhenausgleichsschicht auf, deren Erweichungstemperatur (insbesondere die des Materials der Höhenausgleichsschicht) unterhalb der Siegelheiztemperatur liegt, so dass bei einer - vorzugsweise während des Siegelprozesses, insbesondere des bestimmungsgemäßen Siegelschritts - in der Höhenausgleichsschicht vorliegenden Schichttemperatur, die kleiner oder gleich der Siegelheiztemperatur und größer oder gleich der Siegeltemperatur ist, das die Höhenausgleichsschicht bildende Material in einem temperaturbedingt duktilen Zustand vorliegt. Vorzugsweise liegt die Höhenausgleichsschicht bei dieser Schichttemperatur im schmelzflüssigen Zustand vor. In letzterem Fall weist die Höhenausgleichsschicht, insbesondere deren Material dabei vorzugsweise oberhalb der Erweichungstemperatur eine niedrige Viskosität auf. Ferner weist die Siegelfolie eine Entkopplerschicht auf. Die Entkopplerschicht (deren Material) weist dabei bei einer - vorzugsweise während des Siegelprozesses, insbesondere des bestimmungsgemäßen Siegelschritts - in der Entkopplerschicht vorliegenden Schichttemperatur, die kleiner oder gleich der Siegelheiztemperatur und größer oder gleich der Siegeltemperatur ist, gegenüber der Höhenausgleichsschicht und der Siegelschicht eine um ein Vielfaches erhöhte Steifigkeit auf. Des Weiteren ist die Höhenausgleichsschicht zwischen der Außenschicht und der Entkopplerschicht angeordnet. Die Siegelschicht ist außenseitig zu der Entkopplerschicht und mithin auf der der Außenschicht abgewandten (Unter-) Seite der Siegelfolie angeordnet.
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Unter dem Begriff „Siegeltemperatur“ wird hier und im Folgenden insbesondere die Temperatur, konkret der Temperaturwert verstanden, auf den die Siegelschicht während des Siegelprozesses erwärmt wird, um in dem eigentlichen Siegelschritt des Siegelprozesses die Haftverbindung mit dem Probenträger einzugehen. Die Siegeltemperatur stellt also insbesondere eine Art Zieltemperatur dar, auf die die Siegelschicht im Siegelprozess erwärmt wird.
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Unter dem Begriff „Siegelheiztemperatur“ wird hier und im Folgenden insbesondere die Temperatur, konkret der Temperaturwert verstanden, der auf die Siegelfolie mit dem Ziel aufgebracht wird, die Siegelschicht auf die vorstehend beschriebene Siegeltemperatur zu erwärmen. Beispielsweise weist ein in dem Siegelprozess, insbesondere in dem Siegelschritt an der Außenschicht anliegendes Siegelwerkzeug (im Folgenden auch als „Siegelplatte“ oder „Stempel“ bezeichnet), in diesem Fall insbesondere eine Art Heizplatte, die Siegelheiztemperatur auf. Alternativ kommt als ein Heizwerkzeug ein Heizstrahler, ein Heizgebläse oder dergleichen zum Einsatz, mittels dessen die Siegelheiztemperatur insbesondere berührungslos auf die Siegelfolie, insbesondere auf die Außenschicht aufgebracht wird.
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Vorzugsweise wird in dem bestimmungsgemäßen Siegelprozess als Siegelheiztemperatur ein gegenüber der Siegeltemperatur erhöhter Temperaturwert herangezogen und auf die Außenschicht der Siegelfolie mittels der Siegelplatte oder eines anderen Heizwerkzeugs aufgebracht. Die Siegelheiztemperatur und eine Prozessschrittdauer ist dabei regelmäßig derart gewählt, dass sich innerhalb der Prozessschrittdauer aufgrund von Wärmeleitung durch die Außenschicht, die Höhenausgleichsschicht und die Entkopplerschicht ein Temperaturgefälle einstellt, bei dem die Siegelschicht auf die Siegeltemperatur erwärmt ist. Dadurch kann insgesamt Prozesszeit eingespart werden. Der hierbei in den einzelnen Schichten, insbesondere der Höhenausgleichsschicht und der Entkopplerschicht vorliegende Temperaturwert wird hier und im Folgenden als „Schichttemperatur“ bezeichnet und liegt mithin zwischen der Siegelheiztemperatur und der Siegeltemperatur. Alternativ kann - in einer „statischen“ Variante - die Siegelheiztemperatur auch gleich der Siegeltemperatur gewählt sein. In diesem Fall wird abgewartet, bis sich die gesamte Siegelfolie und somit alle Schichten auf die Siegeltemperatur erwärmt haben.
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Unter einem „temperaturbedingt duktilen Zustand“ wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass das Material der Höhenausgleichsschicht oberhalb der Siegeltemperatur, insbesondere bei der entsprechenden Schichttemperatur (im Gegensatz zur Raumtemperatur) einen möglichst geringen Verformungswiderstand aufweist und somit bei der entsprechenden Schichttemperatur vergleichsweise einfach (insbesondere aufgrund der bei einem herkömmlichen Siegelprozess üblicherweise mittels des Siegelwerkzeugs aufgebrachten Prozesskräfte, insbesondere einem „Siegeldruck“) plastisch verformt werden kann.
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Vorzugsweise weist die Siegelschicht zum „Siegelzeitpunkt“ - d. h. während des Siegelschritts, insbesondere wenn die Siegelschicht auf die Siegeltemperatur erwärmt ist und vorzugsweise mit dem Siegelwerkzeug an den Probenträger angedrückt wird - eine hohe, bevorzugt eine gegenüber der Höhenausgleichsschicht - die zu diesem Zeitpunkt somit auf ihre Schichttemperatur erwärmt ist - höhere Viskosität (mithin eine geringere temperaturbedingte duktile Verformbarkeit) auf.
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Vorzugsweise weist die Entkopplerschicht (konkret deren Material) auch - insbesondere bei ihrer Schichttemperatur und somit gegebenenfalls auch oberhalb der Siegeltemperatur - eine insbesondere im Vergleich zur Höhenausgleichsschicht und der Siegelschicht geringe plastische Verformbarkeit, mithin eine vergleichsweise hohe Festigkeit auf.
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Besonders bevorzugt ist die Viskosität des Materials der Höhenausgleichsschicht zumindest zu dem Zeitpunkt, zu dem die Siegelschicht auf oder über die Siegeltemperatur erwärmt ist und somit die Schichttemperatur der Höhenausgleichsschicht gleich oder größer der Siegeltemperatur ist, geringer als die Viskosität der Siegelschicht.
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Unter dem Begriff „Einsatztemperatur“, insbesondere „kurzzeitige Einsatztemperatur“ wird hier und im Folgenden insbesondere eine Temperatur verstanden, der ein Material ohne eine über vorgegebene Grenzen hinausgehende Deformation, bei Kunststoffen insbesondere ohne Aufschmelzen - zumindest kurzzeitig, d. h. insbesondere für wenige Sekunden bis zu einigen zehn Sekunden - ausgesetzt werden kann. Bei Kunststoffen bildet diese Einsatztemperatur regelmäßig eine Grenze einer sogenannten Wärmeformbeständigkeit.
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Unter dem Begriff „Erweichungstemperatur“ wird hier und im Folgenden insbesondere eine Temperatur (konkret ein Temperaturwert) verstanden, ab der insbesondere ein (insbesondere amorpher) Kunststoff in den gummielastischen Bereich übergeht und somit sein Formänderungsvermögen (insbesondere seine Duktilität) zunimmt. Ein Übergang in den schmelzflüssigen Zustand erfolgt ab der Erweichungstemperatur fließend. Die Erweichungstemperatur wird insbesondere bei amorphen Kunststoffen (vorzugsweise amorphen Thermoplasten) auch als „Glasübergangstemperatur“ bezeichnet. Im Zusammenhang vorzugsweise mit teilkristallinen Kunststoffen wird die Erweichungstemperatur hier und im Folgenden insbesondere auch mit der Schmelztemperatur, ab der eine kristalline Phase des Kunststoffs in den schmelzflüssigen Zustand übergeht, gleichgesetzt. Diese Schmelztemperatur liegt dabei regelmäßig über einer Glasübergangstemperatur der amorphen Phase des teilkristallinen Kunststoffs.
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Unter der bei der bestimmungsgemäßen Schichttemperatur der Entkopplerschicht, d. h. wenn die Siegelschicht auf die Siegeltemperatur erwärmt ist, um ein Vielfaches gegenüber der Höhenausgleichsschicht und der Siegelschicht erhöhten Steifigkeit wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass die Entkopplerschicht bei dieser Schichttemperatur einen hohen Verformungswiderstand (mithin eine geringe „Duktilität“ oder „Plastizität“) aufweist, wohingegen eine vergleichbare Größe bei der Höhenausgleichsschicht und vorzugsweise auch bei der Siegelschicht temperaturbedingt insbesondere vernachlässigbar gering oder nicht (insbesondere temperaturbedingt nicht mehr) feststellbar ist.
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Vorzugsweise sind die bestimmungsgemäße Siegeltemperatur und das Material der Siegelschicht voneinander abhängig gewählt, so dass die Erweichungstemperatur der Siegelschicht im Bereich von oder unterhalb der Siegeltemperatur liegt. Das Material der Siegelschicht ist vorzugsweise derart gewählt, dass dessen Erweichungstemperatur bspw. zwischen etwa 50 und 140°C, insbesondere zwischen 70 und 110°C liegt. Anschließend wird üblicherweise die im Siegelprozess herangezogene Siegelheiztemperatur und gegebenenfalls die Prozessschrittdauer derart gewählt, dass die bestimmungsgemäße Siegeltemperatur bei oder oberhalb der Erweichungstemperatur des Materials der Siegelschicht liegt. Beispielsweise liegt die Siegeltemperatur in diesem Fall typischerweise in einem Bereich zwischen 80 und 140 Grad Celsius (°C). Die Siegelheiztemperatur, die bspw. mittels der vorstehend beschriebenen Siegelplatte aufgebracht wird, liegt in diesem Fall beispielsweise - insbesondere bei einer möglichst kurzen Prozessschrittdauer - bei etwa 130 bis 200°C, insbesondere bei etwa 170°C.
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Aufgrund des vorstehend beschriebenen mehrschichtigen Aufbaus der Siegelfolie kann vorteilhafterweise verhindert werden, dass die Siegelfolie beim thermischen Versiegeln der Kavität des Probenträgers sich derart stark verformt, dass die Kavität über anwendungsbezogen vorgegebene Grenzen hinaus in ihrem Querschnitt verringert wird. Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass die Höhenausgleichsschicht im Siegelprozess - also insbesondere bei der entsprechenden Schichttemperatur, vorzugsweise oberhalb der Siegeltemperatur - in einem mit nur geringer Krafteinwirkung plastisch deformierbaren Zustand, insbesondere im schmelzflüssigen Zustand vorliegt und dadurch zwischen der Außenschicht und der Entkopplerschicht ein vergleichsweise einfach deformierbares „Kissen“ bildet. Aufgrund der vergleichsweise hohen Steifigkeit der Entkopplerschicht wird dagegen verhindert, dass unter Wirkung des Siegeldrucks, der durch das an die Außenschicht angelegte Siegelwerkzeug, insbesondere die Siegelplatte aufgebracht wird, das schmelzflüssige Material der Höhenausgleichsschicht zu stark in die Kavität des Probenträgers einfließen kann. Die Entkopplerschicht wirkt somit dämpfend auf die (vorzugsweise aufgeschmolzene) Höhenausgleichsschicht. Insbesondere für den Fall, dass im auf die Siegeltemperatur erwärmten Zustand das Material der Siegelschicht zwar über seine Erweichungstemperatur erwärmt ist, aber aufgrund seiner vergleichsweise hohen - vorzugsweise gegenüber der Höhenausgleichsschicht erhöhten - Viskosität eine vergleichsweise geringe Fließneigung in Flächenrichtung der Siegelfolie aufweist, wird außerdem in Zusammenwirkung mit der Entkopplerschicht verhindert, dass das Material der Siegelschicht in die Kavität einfließt. Die Höhenausgleichsschicht dient dagegen - insbesondere in Form des deformierbaren Kissens - zum Ausgleich von insbesondere vergleichsweise großen (bspw. bis zu 50 Mikrometer, insbesondere größer 10 und/oder bis zu 30 Mikrometer) Unebenheiten auf einer Kontaktfläche des Probenträgers (d. h. insbesondere Höhenunterschiede, die bspw. als fertigungsbedingte Einfallstellen oder dergleichen an dem Probenträger auftreten). Der mittels des Siegelwerkzeugs aufgebrachte Siegeldruck kann somit vergleichsweise homogen auf die nachfolgenden Schichten und somit auch auf die (zumindest näherungsweise) gesamte Kontaktfläche des Probenträgers übertragen werden. Außerdem kann dadurch wiederum die Siegelschicht die vorstehend beschriebene hohe (insbesondere gegenüber der Höhenausgleichsschicht erhöhte) Viskosität aufweisen, da diese derartig große Unebenheiten nicht oder nur noch zu einem geringfügigen (Rest-) Anteil ausgleichen muss. Somit kann wiederum vorteilhafterweise die Neigung der Siegelschicht, während des Siegelprozesses in die zu versiegelnden Kavität zu fließen, verringert werden. Des Weiteren wird durch die gegenüber der Siegelheiztemperatur erhöhte Einsatztemperatur der Außenschicht ermöglicht, dass das Material der Außenschicht nicht an dem Siegelwerkzeug anhaftet und insbesondere seine räumliche Stabilität beibehält. Die Außenschicht dient mithin als Schutzschicht der im Siegelprozess schmelzflüssigen Höhenausgleichsschicht gegenüber dem Siegelwerkzeug.
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In einer bevorzugten Ausführung weist die Außenschicht vorzugsweise wenigstens im auf die Siegelheiztemperatur oder die resultierende Schichttemperatur erwärmten Zustand zumindest gegenüber der Höhenausgleichsschicht und/oder der Siegelschicht, optional auch gegenüber der Entkopplerschicht (insbesondere bei deren jeweiliger resultierenden Schichttemperatur während des Siegelschritts) eine erhöhte Steifigkeit, insbesondere einen erhöhten Verformungswiderstand auf. Aufgrund dieser erhöhten Steifigkeit wird vorteilhafterweise verhindert, dass die gesamte Siegelfolie in die zu versiegelnde Kavität „einhängt“ - d. h. sich in die Kavität einwölbt. D. h. die gewählte Steifigkeit der Außenschicht trägt zu einer Stabilisierung der gesamten Siegelfolie im Bereich der (jeweiligen) Kavität bei. Des Weiteren wird dadurch auch ermöglicht, dass die Außenschicht eine näherungsweise ebene Oberfläche (d. h. ohne Einfallstellen) bildet, an die beispielsweise im Laborbetrieb eine Wärmeübertragungsfläche besonders effektiv angebunden werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist das Material der Außenschicht eine temperaturabhängige Schrumpfneigung zumindest in Flächenrichtung der Siegelfolie auf. Vorzugsweise ist hierbei das Material der Außenschicht (optional auch das der Entkopplerschicht) und/oder insbesondere ein Prozessablauf beim Versiegeln derart gewählt, dass das Material einen temperatur-induzierten Schrumpf aufweist. Beispielsweise handelt es sich bei dem Material der Außenschicht (optional auch bei dem der Entkopplerschicht) um ein verstrecktes Kunststoff-Material (bspw. eine gereckte Folie), das bei Erwärmung und damit einhergehender Mobilisierung der Molekülketten insbesondere aufgrund einer Relaxation der Molekülketten (die sich hierbei insbesondere „zusammenknäulen“) schrumpft. Zusätzlich oder alternativ wird die Siegelfolie ungleich zum Probenträger erwärmt, bspw. zuerst erwärmt (bspw. mittels eines Heizstrahlers oder Heizlüfters) und anschließend auf den insbesondere kalten (d. h. nicht erwärmten) oder geringer erwärmten Probenträger aufgelegt. Dadurch ergibt sich aufgrund des Temperaturunterschieds ein unterschiedlicher Schrumpf (optional nur ein Schrumpf der Siegelfolie) bei Abkühlung auf Raumtemperatur. Optional wird bei Einsatz der vorstehend beschriebenen Heizplatte ein Durchwärmen des Probenträgers nicht abgewartet, so dass sich dadurch eine ungleiche Erwärmung ergibt. Ein Schrumpfen der Außenschicht beim Versiegeln ist dahingehend vorteilhaft, dass auf diese Weise eine Bildung von Wellen und somit eine unebene Oberfläche der Siegelfolie vermieden werden kann. Eine Ausdehnung der Außenschicht würde hingegen Einfallstellen und somit ein Durchhängen der Außenschicht bzw. der gesamten Siegelfolie im Bereich der jeweiligen Kavität begünstigen.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist eine Dicke der Entkopplerschicht in Abhängigkeit von wenigstens einer Abmessung, vorzugsweise einer Breite (d. h. insbesondere die kleinste Erstreckung der Kavität in Flächenrichtung des Probenträgers) der zu versiegelnden Kavität gewählt. Zweckmäßigerweise erfolgt die Wahl der Dicke vorzugsweise im Hinblick auf vergleichsweise flache („seichte“) Kanäle, deren Tiefen vorzugweise kleiner als 500 µm sind. Die Dicke der Entkopplerschicht wird hierbei vorzugsweise in Abhängigkeit von der Breite der zu versiegelnden Kavität und insbesondere auch eines vorgegebenen, zulässigen Einsinkens der Siegelfolie in diese Kavität ausgewählt. Insbesondere wenn die Einsinktiefe reduziert werden soll und/oder eine breite (sowie insbesondere flache) Kavität (Breite vorzugsweise kleiner als 1,5 Millimeter) von der Siegelfolie überspannt werden soll, wird eine größere Dicke der Entkopplerschicht gewählt. Dadurch werden die Entkopplerschicht und somit auch die Siegelfolie insgesamt steifer und ein Einsinken in die oder ein Durchhängen der Siegelfolie oberhalb der Kavität verringert. Vorzugsweise beträgt die Dicke der Entkopplerschicht jedoch mindestens 15 Mikrometer, insbesondere mehr als 20 Mikrometer und besonders bevorzugt etwa 30 Mikrometer. Eine Dicke von 30 Mikrometer hat sich dabei für eine Anwendung auf einem Probenträger mit mehreren unterschiedlich breiten Kavitäten als vorteilhaft dahingehend erwiesen, dass im Mittel über die unterschiedliche Breiten der Kavitäten ein hinreichend geringes Einsinken der Siegelfolie, konkret der Höhenausgleichsschicht gemeinsam mit der Entkopplerschicht und der Siegelschicht in die jeweilige Kavität ermöglicht wird.
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In einer bevorzugten Ausführung ist die Außenschicht aus einem Kunststoff, konkret einem thermoplastischen Kunststoff gebildet.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist die Außenschicht dabei aus einem biaxial verstreckten Polyethylenterephtalat (kurz: BOPET), einem Cyclo-Olefin-Copolymer (COC, insbesondere mit einer entsprechend hohen Glasübergangstemperatur), einem Polychlortrifluorethylen (kurz: PCTFE), einem Polypropylen (PP), einem Cyclo-Olefin-Polymer (COP), einem Polyimid (PI), einem Polyetheretherketon (PEEK) oder einem Polyamid (PA) gebildet. Die vorstehend beschriebenen Kunststoffe haben dabei den Vorteil, dass diese eine vergleichsweise hohe kurzzeitige Gebrauchstemperatur (d. h. die vorstehend beschriebene Einsatztemperatur) aufweisen und somit eine Schädigung, ein Aufschmelzen oder dergleichen bei der Siegelheiztemperatur effektiv vermieden wird.
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Die Höhenausgleichsschicht ist in einer bevorzugten Ausführung aus einem insbesondere im Vergleich zu der Außenschicht niedrigschmelzenden (d. h. eine niedrige Schmelztemperatur aufweisenden) thermoplastischen Kunststoff ausgebildet. Durch die Wahl des Kunststoffs, insbesondere seine duktile Verformbarkeit und/oder seine erhöhte Fließfähigkeit während die Siegelheiztemperatur wirkt, kann die Eignung zum Höhenausgleich von Unebenheiten auf dem Probenträger beeinflusst werden. Bei Siegeltemperaturen (die insbesondere an der Siegelfläche zwischen der Siegelschicht und dem Probenträger vorliegen) von weniger als 90°C eignet sich ein lineares Polyethylen niedriger Dichte (auch als „PE-LLD“ bezeichnet), während für höhere Siegeltemperaturen (bspw. größer 100°C) auch ein Polyethylen niedriger Dichte, insbesondere ein verzweigtes Polyethylen (auch als „PE-LD“ bezeichnet) oder bei weiter erhöhten Siegeltemperaturen auch ein Polyethylen hoher Dichte („PE-HD“) oder ein thermoplastisches Elastomer (TPE) mit geeigneter (d. h. insbesondere niedriger) Schmelztemperatur eingesetzt werden können. Ebenfalls kann auch ein Ethylen Vinyl Acetat (EVA) mit entsprechend niedrigem Schmelzpunkt zum Einsatz kommen. Die Auslegung, insbesondere die Materialauswahl der Höhenausgleichsschicht erfolgt vorzugsweise unter Berücksichtigung der Entkopplerschicht. Dabei wird berücksichtigt, dass bei steigender Fließfähigkeit der Höhenausgleichsschicht die laterale plastische Verformbarkeit der Höhenausgleichsschicht zunimmt und somit auch vergleichsweise große Oberflächenunebenheiten des Probenträgers kompensiert werden können und/oder größeres Einsinken in die Kavitäten auftreten kann. Diesem lokalen Einsinken in die jeweilige (kleine Dimensionen aufweisende) Kavität wirkt dabei vorzugsweise die entsprechend zur Fließfähigkeit der Höhenausgleichsschicht steif gewählte Entkopplerschicht entgegen.
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In einer bevorzugten Ausführung weist die Entkopplerschicht, insbesondere deren Material eine Erweichungstemperatur größer als die von dem Siegelwerkzeug aufgebrachte Siegelheiztemperatur, zumindest größer als die in der Entkopplerschicht auftretende Schichttemperatur bei bestimmungsgemäßer Beaufschlagung der Außenschicht mit der Siegelheiztemperatur auf. Damit wird vorteilhafterweise ermöglicht, dass die Entkopplerschicht auch im Siegelprozess ihre Formstabilität beibehält (d. h. insbesondere ihre Steifigkeit noch hinreichend hoch ist), und somit ein Ausfüllen der zu versiegelnden Kavität durch die unter dem Siegeldruck in Richtung von konkaven Oberflächenstrukturen des Probenträgers fließenden Höhenausgleichsschicht verringert oder sogar unterbunden wird.
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Optional ist die Entkopplerschicht in der vorstehenden Ausführung aus Aluminium, insbesondere einer Aluminiumfolie gebildet. Weiter optional ist die Entkopplerschicht aber aus einem Kunststoff, vorzugsweise einem COC (insbesondere mit hoher Glasübergangstemperatur), einem Polycarbonat (PC), einem Polymethylmethacrylat (kurz: PMMA), einem Polystyrol (PS) oder durch einen anderen der für die Außenschicht vorgesehenen Kunststoffe gebildet.
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In einer zweckmäßigen Ausführung ist die Siegelschicht durch eine separate Polymerschicht gebildet. In diesem Fall handelt es sich bei der Siegelschicht also insbesondere um eine durch Coextrusion oder Kaschieren auf die Entkopplerschicht oder eine gegebenenfalls vorhandene Zwischenschicht aufgebrachte folienartige Schicht.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Siegelschicht durch eine oberflächennahe Schicht der Entkopplerschicht gebildet, die durch eine Oberflächenbehandlung eben dieser (in dieser Ausführung aus einem Kunststoff gebildeten) Entkopplerschicht modifiziert ist. Beispielsweise wird hierzu mittels eines Lösungsmittels die Entkopplerschicht oberflächennah angelöst und/oder durch Bestrahlung, Plasmabehandlung oder Ozon-Behandlung oberflächennah derart modifiziert, dass die oberflächennahen Polymerketten bei einer geringeren Schichttemperatur als das unbeeinflusste „Bulk-Material“ heißsiegelfähig sind. Diese oberflächennahe Schicht der Entkopplerschicht weist anschließend also andere thermische und insbesondere auch rheologische Eigenschaften als die restliche, nicht-modifizierte Entkopplerschicht auf.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung handelt es sich bei dem Material der Siegelschicht um ein COC, das vorzugsweise zu einer die Außenschicht und/oder die Entkopplerschicht bildenden COC-Type unterschiedlich ist. Beispielsweise ist die Siegelschicht durch eine COC-Type mit einer Glasübergangstemperatur von etwa 79°C gebildet. Die Entkopplerschicht ist in diesem Fall beispielsweise durch eine COC-Type mit einer Glasübergangstemperatur im Bereich von etwa 135° Celsius gebildet. Alternativ ist die Siegelschicht durch die vorstehend beschriebene Oberflächenbehandlung der COC-Type der Entkopplerschicht ausgebildet.
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In einer weiteren alternativen Variante ist die Siegelschicht durch einen Schmelzklebstoff, auch als „Hotmelt“ bezeichnet, gebildet. Optional handelt es sich dabei um einen rein thermoplastischen Schmelzklebstoff. Alternativ handelt um einen reaktiven Schmelzklebstoff, beispielsweise auf Basis von Polyurethan oder um einen UV-vorvernetzten und/oder UV-vernetzenden (Schmelz-) Klebstoff.
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In einer bevorzugten Ausführung liegt eine Dicke der Siegelschicht zwischen etwa 5 und 30 Mikrometer, vorzugsweise bei etwa 20 Mikrometer. Bei dieser Dicke ist vorteilhafterweise ein Einsinken oder Eindringen des über die Erweichungstemperatur erwärmten Materials der Siegelschicht im Siegelprozess in die Kavität hinreichend gering, aber es wird dennoch ein Ausgleich von vergleichsweise scharfkantigen und/oder vergleichsweise kleinen („flachen“) Unebenheiten in der Größenordnung bis zu 10 oder 15 Mikrometern auf der Oberfläche des Probenträgers - die beispielsweise von Frässpuren oder Kratzern in einem Fertigungswerkzeug herrühren - ermöglicht.
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In einer optionalen Ausführung weist die Siegelfolie wenigstens eine, optional mehrere zusätzliche, insbesondere zwischen den vorstehend beschriebenen Schichten liegende Schichten auf. Diese dienen beispielsweise zur verbesserten Haftung der vorstehend beschriebenen Schichten, d. h. der Außenschicht, der Höhenausgleichsschicht, der Entkopplerschicht und der Siegelschicht untereinander.
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Der erfindungsgemäße Probenbehälter weist den vorstehend beschriebenen Probenträger auf. Der Probenträger weist wie vorstehend beschrieben die Anzahl von Kavitäten (insbesondere Kanalstrukturen und/oder Kammern) zur Aufnahme eines Fluids auf. Außerdem weist der Probenbehälter die vorstehend beschriebene Siegelfolie auf. Mittels dieser Siegelfolie kann die Anzahl von Kavitäten versiegelt werden oder ist in einem bestimmungsgemäßen Siegelzustand bereits versiegelt.
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Die vorstehend beschriebene Siegelfolie wird somit vorzugsweise verwendet, um die Anzahl von Kavitäten des Probenträgers zu versiegeln.
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Der erfindungsgemäße Probenbehälter weist somit die vorstehend im Zusammenhang mit der Siegelfolie beschriebenen Merkmale und Vorteile gleichermaßen auf.
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Vorzugsweise ist das Material der Siegelschicht und/oder des Probenträgers derart gewählt, dass diese zueinander kompatibel insbesondere hinsichtlich einer Haftfähigkeit aneinander sind, mithin dass beide Materialien miteinander verklebt werden können (insbesondere ohne separaten Zusatzwerkstoff). Beispielsweise sind beide Materialien polar oder unpolar.
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Beispielsweise ist das Material des Probenträgers durch ein COC oder einen anderen, mit der Siegelschicht kompatiblen Kunststoff mit einer Glasübergangstemperatur zwischen 60 und 150°C, vorzugsweise zwischen 100 und 140°C gebildet. Bei einer Glasübergangstemperatur von größer 135°C ist vorzugsweise die Siegeltemperatur erhöht, so dass die Ausbildung der Haftverbindung zwischen der Siegelschicht und dem Probenträger vereinfacht wird (aufgrund von insbesondere temperaturabhängigen Diffusionseffekten und dergleichen). Im bestimmungsgemäßen Siegelschritt wird hierbei der Siegeldruck reduziert, um ein zu starkes laterales Fließen des Materials der Höhenausgleichsschicht zu vermeiden.
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Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden insbesondere derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher dargestellt. Darin zeigen:
- 1 in einer schematischen und ausschnitthaften Schnittansicht eine Siegelfolie,
- 2 in Ansicht gemäß 1 einen Probenbehälter, der einen Probenträger mit einer durch die Siegelfolie gemäß 1 versiegelte Kavität aufweist, und
- 3 in Ansicht gemäß 2 den Probenbehälter mit drei unterschiedlich großen Kavitäten, die gemeinsam mittels der Siegelfolie versiegelt sind.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine Siegelfolie 1 schematisch in einem Querschnitt dargestellt. Die Siegelfolie 1 ist aus mehreren, aus unterschiedlichen Kunststoffen gebildeten Schichten hergestellt. Die Siegelschicht 1 dient konkret zum Versiegeln eines in 2 dargestellten Probenträgers 2, konkret einer in diesen Probenträger 2 eingeformten Kavität 4. Bei dem Probenträger 2 handelt es sich um ein aus einem COC mit einer Glasübergangstemperatur von etwa 110°C gebildetes Substrat, in das eine Anzahl von sogenannten mikrofluidischen Kanälen und Kammern, d. h. Kanäle oder Kammern mit einer Breite von mehreren zehn bis mehreren 100 Mikrometer (gegebenenfalls auch einer einstelligen Zahl an Millimeter) eingebracht sind. Eine Länge der Kanäle oder Kammern erstreckt sich dabei über etwa die gleiche Größenordnung oder sogar bis zu mehreren 10 Millimetern. Diese Kanäle und Kammern bilden jeweils eine Kavität 4 aus. Gemeinsam mit diesem Probenträger 2 bildet die Siegelfolie 1 einen Probenbehälter 6 (s. 2).
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Der Schichtaufbau der Siegelfolie 1 umfasst eine Außenschicht 8, die im dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine 12,5 Mikrometer dicke Schicht eines biaxial verstreckten Polyethylenterephtalats (BOPET) gebildet ist. An die Außenschicht 8 grenzt eine Höhenausgleichsschicht 10 an, die aus einem Polyethylen niedriger Dichte mit einer Dicke von 30 Mikrometer gebildet ist. An die Höhenausgleichsschicht 10 schließt eine Entkopplerschicht 12 an, die aus einer 30 Mikrometer starken Schicht eines COC mit einer Glasübergangstemperatur von etwa 135°C gebildet ist. Auf einer der Außenschicht 8 gegenüberliegenden Unterseite 14 der Siegelfolie 1 weist deren Schichtaufbau eine Siegelschicht 16 auf, die aus einem COC mit einer Glasübergangstemperatur von etwa 79°C gebildet ist.
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Zum Versiegeln der Kavität 4 des Probenträgers 2 wird die Siegelfolie 1 mittels eines nicht näher dargestellten Siegelwerkzeugs, konkret einer „Siegelplatte“ an den Probenträger 2 angedrückt. Das Siegelwerkzeug liegt dabei an der Außenschicht 8 an und ist auf eine Siegelheiztemperatur erwärmt, die deutlich oberhalb der Erweichungstemperatur oder Glasübergangstemperatur der Siegelschicht 16 liegt. Konkret liegt die Siegelheiztemperatur im beschriebenen Ausführungsbeispiel bei 170°C, um eine möglichst schnelle Erwärmung der Siegelfolie 1 und damit auch der Siegelschicht 16 auf eine Siegeltemperatur, die ebenfalls oberhalb der Glasübergangstemperatur der Siegelschicht 16 liegt, zu ermöglichen. Die Siegeltemperatur liegt aufgrund eines sich in der Siegelfolie 1 ausbildenden Temperaturgradienten im vorliegenden Ausführungsbeispiel bei etwa 100 bis 110°C - bei einer vergleichsweise kurzen Erwärmungszeit von wenigen Sekunden (bspw. bis zu 5, 10 oder bis zu 20 Sekunden). Dabei wird durch das Siegelwerkzeug die Siegelfolie 1 sowie auch eine oberflächennahe Schicht des Probenträgers 2 erwärmt. Bei der Siegeltemperatur ist die Siegelschicht 16 erweicht, sodass Diffusionsvorgänge mit dem Material des Probenträgers 2 erfolgen können und somit eine Schmelzklebung und Anhaftung der Siegelfolie 1 an dem Probenträger 2 erfolgen kann.
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Die Siegelheiztemperatur liegt unterhalb der Erweichungstemperatur des Materials der Außenschicht 8. Eine sich aufgrund des Temperaturgradienten einstellende Schichttemperatur der Entkopplerschicht 12 liegt ebenfalls unterhalb der Erweichungstemperatur des Materials der Entkopplerschicht 12. Die Siegelheiztemperatur und die sich einstellende Schichttemperatur der Höhenausgleichsschicht 10 liegen dagegen oberhalb der Erweichungstemperatur, konkret der Schmelztemperatur des Materials der Höhenausgleichsschicht 10. Somit geht bei der Erwärmung der Siegelfolie 1 im Siegelprozess das Material der Höhenausgleichsschicht 10 in den leicht plastisch verformbaren, konkret schmelzflüssigen Zustand über. Da das Polyethylen niedriger Dichte der Höhenausgleichsschicht 10 im schmelzflüssigen Zustand eine vergleichsweise niedrige Viskosität aufweist, kann die Schmelze der Höhenausgleichsschicht 10 unter Wirkung des von dem Siegelwerkzeug aufgebrachten Siegeldrucks in Flächenrichtung 18 der Siegelfolie 1 verdrängt werden und somit in Flächenrichtung 18 fließen.
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Durch dieses seitliche Fließen des Materials der Höhenausgleichsschicht 10 können Einfallstellen 20 im Substrat des Probenträgers 2 durch eine Ansammlung von Material der Höhenausgleichsschicht 10 gefüllt werden, indem die Entkopplerschicht 12 und die Siegelschicht 16 in Richtung der Einfallstelle 20 ausgelenkt werden. Entsprechend umgekehrt können Erhöhungen 22 auf dem Probenträger 2 durch eine Ausdünnung, konkret ein seitliches Verdrängen des Materials der Höhenausgleichsschicht 10 in Flächenrichtung 18 ebenfalls ausgeglichen werden.
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Da die Entkopplerschicht 12 bei ihrer Schichttemperatur noch nicht auf ihre Erweichungstemperatur erwärmt ist, weist diese ebenfalls eine derart hohe Steifigkeit auf, dass ein übermäßiges (d. h. über anwendungsspezifisch vorgegebene Grenzen hinaus) Einsinken der Entkopplerschicht 12 und der an diese angebundenen Siegelschicht 16 in die Kavität 4 verhindert wird. Bei einer Breite der Kavität 4 von unter 500 Mikrometer, insbesondere von unter 100 Mikrometer erfolgt dabei lediglich ein geringfügiges Einsinken der Siegelfolie 1 in die Kavität 4.
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Die Viskosität der Siegelschicht 16 ist auch bei Siegeltemperatur gegenüber der Viskosität der Höhenausgleichsschicht 10 deutlich erhöht, sodass ein Fließen der Siegelschicht 16, konkret des Materials der Siegelschicht 16 in Flächenrichtung 18 unterbunden oder nur zu einem vernachlässigbaren Grad möglich ist.
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Die Außenschicht 8 bildet eine temperaturstabile Schutzschicht gegenüber dem Siegelwerkzeug, die verhindert, dass Material der Siegelfolie 1 an dem auf die Siegelheiztemperatur erwärmten Siegelwerkzeug anhaften bleibt. Des Weiteren weist das Material, insbesondere das BOPET der Außenschicht 8 eine derart hohe Steifigkeit - auch bei Siegelheiztemperatur - auf, dass ein Einhängen (oder Durchhängen) der Außenschicht 8 in die jeweilige Kavität 4 effektiv unterbunden ist. Somit bildet die Außenschicht 8 auch nach den Versiegeln der Kavität 4 eine zumindest näherungsweise ebene Außenfläche, an die in einem bestimmungsgemäßen Laborbetrieb Wärmeübertragungsflächen (beispielsweise eine Heiz- oder Kühlfläche) angebunden werden können. Sollte bei hinreichender Größe der Kavität 4 die Außenschicht 8 dennoch geringfügig in die Kavität 4 eingewölbt sein, kann diese durch den im bestimmungsgemäßen Laborbetrieb üblicherweise in der Kavität 4 herrschenden Fluiddruck wieder zur Außenseite zurückgewölbt werden.
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In 3 ist beispielhaft ein Probenträger 2 mit mehreren unterschiedlich großen Kavitäten 4 dargestellt. Daran lässt sich der Effekt der erfindungsgemäßen Siegelfolie 1 deutlich beschreiben. In 3 ist die zuunterst dargestellte Kavität 4 mit dem kleinsten Querschnitt versehen. Entsprechend fällt auch die Einwölbung der Siegelfolie 1 aufgrund der im Siegelprozess verflüssigten Höhenausgleichsschicht 10 gering aus. Bei der darüberliegend (in der Mitte) dargestellten, vergrößerten Kavität 4 ist die Einwölbung der Siegelfolie 1 gegenüber der unteren Kavität 4 geringfügig größer, jedoch prozentual gesehen sogar kleiner als bei der unteren Kavität 4. Somit kann die Siegelfolie 1 aufgrund der vorstehend beschriebenen Anpassung an Oberflächenunebenheiten des Probenträgers 2 mittels der Höhenausgleichsschicht 10 vollflächig an die Oberfläche des Probenträgers 2 angebunden werden. Aber dennoch kann auch ein zu starkes Verschließen der jeweiligen Kavität 4 vermieden werden.
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Wie anhand der in 3 oben dargestellten Kavität 4, deren Breite im Bereich von etwa zwei Millimetern liegt, erkennbar ist, wölbt sich die Siegelfolie 1 in diesem Fall nicht vollständig - wie bei den kleineren Kavitäten 4 im unteren Bereich von 3 - ein, sondern die Einwölbung erfolgt lediglich in randnahen Bereichen 24 der Kavität 4. Aus Versuchsergebnissen hat sich dabei gezeigt, dass bei der vorstehend beschriebenen Wahl der Materialien sowie der Schichtdicken der Siegelfolie 1 eine Einwölbung der Siegelfolie 1 in den Randbereichen 24 sich etwa im Bereich von 500 Mikrometer in Richtung auf die Mitte der Kavität 4 erstreckt.
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Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden.
