DE102019134399A1

DE102019134399A1 - Herstellung von fluidischen Vorrichtungen

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Publication number: DE102019134399A1
Application number: DE102019134399.2A
Authority: DE
Inventors: Lahme Stefan; Erik BAIGAR; Christian Hilmer; Jurek Loebell
Original assignee: Dionex Softron GmbH
Current assignee: Dionex Softron GmbH
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2021-06-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verwendung einer fluidischen Vorrichtung (100) in einem Hochleistungs-Flüssigkeitchromatografiesystem, wobei die fluidische Vorrichtung (100) durch ein Verfahren erhalten werden kann, umfassend das Durchführen eines Strukturierungsprozesses (10) in einem Substrat (160) und dadurch Modifizieren einer Ätzrate eines Abschnitts des Substrats; und Ätzen (20) des Substrats (160) nach Durchführen des Strukturierungsprozesses (10). Die Erfindung betrifft ferner ein Hochleistungs-Flüssigkeitchromatografiesystem, umfassend eine fluidische Vorrichtung (100), die durch das vorstehend beschriebene Verfahren erhalten werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen fluidische Vorrichtungen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung fluidische Vorrichtungen für chemische Analysesysteme. In besonderen Ausführungsformen betrifft die vorliegende Erfindung das Gebiet der Flüssigkeitschromatografie (LC) und Hochleistungs-Flüssigkeitschromatografie (HPLC). LC und HPLC sind Verfahren zum Auftrennen von Proben in ihre Bestandteile. Die Bestandteile können zur Bestimmung ihrer Menge analysiert und/oder für eine spätere Verwendung aufgetrennt werden. Spezifischer betrifft die vorliegende Erfindung fluidische Vorrichtungen, ein Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtungen und deren Verwendung.
Fluidische Vorrichtungen werden typischerweise unter Verwendung von Prozessen wie Drehen, Fräsen, Erodieren, Formen oder Laserschneiden und in einigen Fällen auch mit Lithografieprozessen (z. B. für mikrofluidische Mischer) hergestellt. Diese Prozesse begrenzen in der Regel die Geometrien von Strukturen, die innerhalb einer fluidischen Vorrichtung realisiert werden können. Ferner bestehen die fluidischen Vorrichtungen typischerweise als Folge der Herstellungsprozesse aus einer komplexen mehrteiligen Baugruppe einer Mehrzahl von Komponenten. Die Mehrteiligkeit kann sowohl für die Gesamtkomplexität der Vorrichtung als auch z. B. für die Druckstabilität und Dichtigkeit der fluidischen Vorrichtung nachteilig sein.
Auch die Materialauswahl für fluidische Vorrichtungen, die mit einem der vorstehend beschriebenen Prozesse hergestellt werden, kann produktionsbedingten Einschränkungen unterliegen. So kann z. B. die Biokompatibilität und/oder die Aufrechterhaltung einer sehr hohen chemischen Beständigkeit der fluidischen Vorrichtungen durch die Verwendung von Polyetheretherketon (PEEK), MP35N^® (Nickel-Kobalt-Chrom-Molybdän-Legierung) oder Titan erreicht werden. Andere biokompatible Materialien, wie z. B. Quarzglas, können mit den meisten der vorstehend aufgeführten Prozesse nicht verarbeitet werden.
Eine fluidische Vorrichtung kann z. B. eine Messzelle umfassen, die auch als Detektorzelle oder Durchflusszelle bezeichnet werden kann. Solche Messzellen werden typischerweise in optischen Detektoren für LC- und HPLC-Anwendungen eingesetzt, zum Beispiel in Brechungsindexdetektoren (RIDs), Mehrwinkel-Lichtstreuungsdetektoren (MALS), Fluoreszenzdetektoren oder UV/VIS-Absorptionsdetektoren, wie Diodenarray-Detektoren (DADs), Detektoren mit fester Wellenlänge oder Detektoren mit variabler Wellenlänge (VWDs).
Neben einer Messkammer können derartige Vorrichtungen typischerweise zusätzliche Komponenten wie optische Fenster, Dichtungen, Ein- und Auslässe für das zu messende Fluid oder Verbindungselemente umfassen.
Darüber hinaus können fluidische Vorrichtungen für LC- oder HPLC-Anwendungen auch Mischer, insbesondere mikrofluidische Mischer, umfassen. So können Mischer beispielsweise in Pumpvorrichtungen zum Homogenisieren einer Mehrzahl von Lösemitteln, die typischerweise in LC- oder HPLC-Anwendungen verwendet werden, eingesetzt werden. Diese Mischer weisen typischerweise einen oder eine Mehrzahl von Einlässen für Fluide und einen Auslass für das Gemisch sowie eine Mischstruktur auf (bestehen z. B. aus diesen), deren Design für das Fördern von Diffusionsprozessen ausgelegt ist. Das heißt, das Mischen der Flüssigkeiten kann grundsätzlich durch einen Diffusionsprozess erfolgen. Das Mischen kann durch aktive oder passive Mischkonzepte erfolgen, wobei aktive Mischkonzepte Diffusionsprozesse durch Energiezufuhr fördern, während passive Mischkonzepte typischerweise auf speziellen und teilweise hochkomplexen fluidischen Designs basieren.
Zum Beispiel offenbart US 2011/0192217 A1 einen Mischer zum Mischen eines Fluids, das eine Eigenschaft aufweist, die sich entlang einer Strömungsrichtung des Fluids verändert, der einen Einlass, der zur Aufnahme eines Einlassstroms konfiguriert ist, einen Auslass, der zur Bereitstellung eines Auslassstroms konfiguriert ist, und eine Mehrzahl von Strömungskanälen, die zwischen dem Einlass und dem Auslass gekoppelt sind, enthält.
Andere mikrofluidische Vorrichtungen sind zum Beispiel offenbart in Lee, C.-Y.; Chang, C.-L.; Wang, Y.-N.; Fu, L.-M. Microfluidic Mixing: A Review. Int. J. Mol. Sci.2011, 12, 3263-3287.
Die lithografischen Produktionsprozesse, die typischerweise für die Fertigung von mikrofluidischen Mischern eingesetzt werden können, sind aufgrund der Vielzahl von erforderlichen Prozessschritten sehr komplex. Außerdem kann die Auswahl von möglichen Materialien und Materialkombinationen begrenzt sein. Auch wenn die Komplexität von Mischern im Allgemeinen geringer als die von Messzellen sein kann, bleibt sie auch bei Verwendung von konventionellen lithografischen Verfahren signifikant. Außerdem können mit diesen konventionellen lithografischen Verfahren die Mehrteiligkeit und die damit verbundenen Probleme nicht vermieden werden.
Alternativ sind additive Herstellungsprozesse wie Sintern, dreidimensionales Drucken, Diffusionsschweißen oder Reibschweißen als alternative Herstellungsprozesse denkbar. Diese Prozesse können jedoch gewisse Nachteile und Einschränkungen aufweisen und konnten daher in der Praxis nicht in großem Umfang eingesetzt werden. So können beispielsweise die beim Sintern oder dreidimensionalen Drucken typischerweise auftretenden porösen Strukturen Einschlüsse begünstigen und zu einer strukturellen Schwächung einer Komponente führen. Ferner können sie anfälliger für Undichtigkeiten sein und negative Übertragungseffekte fördern, die sich beispielsweise sowohl auf die Messzellen als auch auf die Mischer negativ auswirken würden. Im Gegensatz dazu wird das Diffusionsschweißen, das auch als Diffusionsverbinden bezeichnet wird, typischerweise für Glasmaterialien eingesetzt. Der Prozess kann jedoch sehr umfangreich sein und erfordert typischerweise viele Schritte, einschließlich komplexer Verarbeitungsschritte der Glasmaterialien und/oder Schritte zum Kombinieren verschiedener Materialien. So kann die Komplexität der Baugruppe durch Diffusionsschweißen typischerweise nicht wesentlich reduziert werden, da für die Verbindung von Kapillaren Komponenten aus unterschiedlichen Materialien erforderlich sein können und/oder wegen der komplexen Verarbeitungsschritte der benötigten Glasmaterialien.
Das Reibschweißen, wie beispielsweise das Ultraschall-Reibschweißen, kann z. B. zum Fügen von Polymerteilen, z. B. Kunststoffteilen, eingesetzt werden. Es kann jedoch ähnliche Nachteile wie das Diffusionsschweißen umfassen. Besonders anspruchsvoll kann es für die Mikrofabrikation sein, d. h. die Sauberkeit der Bonding-Teile (bei subtraktiven Prozessen intrinsisch erfüllt) und das stabile Halten der Kontaktflächen kann besonders anspruchsvoll sein.
Während sich die Komplexität einer Baugruppe durch Schweißen von kompatiblen Komponenten in der Regel etwas reduzieren lässt, kann die Mehrteiligkeit insbesondere bei Messzellen aufgrund des durch das verwendete Messprinzip geforderten optischen Zugangs nicht völlig vermieden werden.
Zusätzlich können fluidische Vorrichtungen für LC oder HPLC Filter umfassen. Diese Filter werden typischerweise eingesetzt, um Komponenten des LC- oder HPLC-Systems vor Verunreinigungen im Fluid zu schützen, d. h. vor Partikeln, die andernfalls empfindliche Komponenten des Systems beschädigen könnten.
Nach dem Stand der Technik gibt es verschiedene subtraktive und additive Herstellungsprozesse für Filter. Je nach Art der Produktion können diese Filter eine enge oder breitere Porengrößenverteilung umfassen. Um ein schnelles Verstopfen der Filter zu verhindern, ist es Stand der Technik, mehrere Filter mit unterschiedlichen Porengrößen hintereinander anzuordnen, beginnend mit großen Poren und in Strömungsrichtung allmählich abnehmender Porengröße. Diese Filter können im Folgenden als „Stufenfilter“ bezeichnet werden, da sie die Flüssigkeit in verschiedenen Schritten oder Stufen filtern.
Typische Herstellungsprozesse (z. B. zu einer Fritte gesinterte Metall- oder Glaspartikel) können den Nachteil einer breiten Porengrößenverteilung und damit einer schlecht definierten Filterleistung aufweisen. Insbesondere Stufenfilter müssen in der Regel aus Filtern mit unterschiedlichen Porengrößen zusammengesetzt sein. Stufenfilter können auch aus flexiblen Materialien hergestellt werden, die dann eine sehr breite Porengrößenverteilung umfassen können und unter Umständen nicht in der HPLC und anderen Anwendungen mit korrosiven Substanzen und/oder hoher Empfindlichkeit gegenüber chemischen Verunreinigungen eingesetzt werden können.
Typische, nach dem Stand der Technik bekannte Herstellungsverfahren sind additive Prozesse zur Filterausbildung aus Partikeln (z. B. Sintern), Schäumen (z. B. Kunststoffschäume), Weben (z. B. Metall- oder Kunststofffasern), Ätzen, Bohren oder dreidimensionales Drucken. Allerdings kann jeder Prozess bestimmte Nachteile und Einschränkungen aufweisen.
Zusätzlich zu den vorstehend bereits behandelten Nachteilen weisen Filter, die mit additiven Prozessen wie dem Sintern hergestellt werden, typischerweise eine breite Porengrößenverteilung und damit schlechte Filtereigenschaften auf. Weiterhin kann das Entfernen von Partikeln und die damit verbundene Verunreinigung des dahinter liegenden (d. h. weiter nachgelagerten) Systems problematisch sein.
Analog weisen durch Schäumen hergestellte Filter ebenfalls eine breite Porengrößenverteilung und damit schlechte Filtereigenschaften auf. Typischerweise ist die chemische Verträglichkeit der verwendeten Materialien stark eingeschränkt. Außerdem sind derartige Filter aufgrund der teilweise geschlossenen Poren unter Umständen nicht für Hochdruck- oder Vakuumanwendungen geeignet.
Bei Filtern, die durch Ätzen hergestellt werden, liegt die kleinste erreichbare Porengröße naturgemäß in der Größenordnung der Dicke des Filtermaterials, was die Erzeugung sehr kleiner Poren einschränken kann. Analog ist die minimale Porengröße von Filtern, die durch einen Bohrprozess hergestellt werden, durch die Dicke des Bohrers begrenzt, die durch die mechanische Robustheit des Bohrers begrenzt sein kann.
Einige der Nachteile des dreidimensionalen Drucks wurden bereits vorstehend behandelt; in Bezug auf Filter kann er ferner das zuverlässige Erzeugen von Poren im Mikrometerbereich unmöglich machen.
Allgemeiner kann bei Prozessen wie Weben, Bohren oder Ätzen die Herstellung von Stufenfiltern unter Umständen nur als Verbundbaugruppe von mehreren Einzelfiltern möglich sein. Mit anderen Worten können - während für die Herstellung von Filtern mit definierten Porengrößen verschiedene Lösungen bekannt sind - Stufenfilter nur als Baugruppen aus verschiedenen Einzelfiltern realisiert werden. Solche Baugruppen sind naturgemäß komplexer und erfordern eine kompliziertere Herstellung. Darüber hinaus kann die Kontrolle von Geometrien innerhalb des Filtermaterials starken Einschränkungen unterliegen, insbesondere bei additiven Prozessen, Schäumen, Ätzen oder Bohren.
Insgesamt sind mögliche Designs und realisierbare Geometrien von fluidischen Vorrichtungen aufgrund der nach dem Stand der Technik bekannten Herstellungsprozesse möglicherweise begrenzt, was zu einer höheren Komplexität der fluidischen Vorrichtungen führen kann, da die jeweiligen Funktionalitäten auf verschiedene Komponenten verteilt werden müssen. Dies kann zu zusätzlichen Herausforderungen während der Montage der Baugruppe führen sowie Montagehilfen erforderlich machen. Darüber hinaus kann die höhere Komplexität auch die Leistung der fluidischen Vorrichtung einschränken, und Baugruppen aus mehreren getrennt hergestellten Komponenten können auch Montagefehler, z. B. Undichtigkeit, aufweisen. Daher können derartige komplexe Baugruppen ferner umfangreiche Tests erfordern, um Montagefehler zu erkennen (z. B. Dichtheitsprüfung).
Außerdem kann die Materialauswahl aufgrund der Herstellungsprozesse eingeschränkt sein und die Eigenschaften der verschiedenen verwendeten Materialien können ebenfalls zu Problemen führen. Besonders biokompatible Materialien können schwierig zu verarbeiten sein und eine geringere Druckfestigkeit und/oder Kompressionsfestigkeit aufweisen.
Darüber hinaus kann der Herstellungsprozess oft komplex sein, z. B. aufgrund der großen Anzahl von Schritten, die während der Herstellung erforderlich sind, was zu Problemen wie z. B. längerer Produktionszeit, höheren Ausschusszahlen und höherer Herstellungskomplexität führen kann.
Angesichts des Vorstehenden ist es ein Ziel, die Unzulänglichkeiten und Nachteile des Standes der Technik zu überwinden oder zumindest zu mildern. Das heißt, es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Erzeugen von fluidischen Vorrichtungen bereitzustellen.
Diese Ziele werden durch die vorliegende Erfindung erreicht.
Das heißt, die vorliegende Erfindung bietet in einigen Ausführungsformen ein Herstellungsverfahren, das einen Schritt der Durchführung eines Strukturierungsprozesses in einem Substrat und dadurch das Modifizieren einer Ätzrate eines Abschnitts des Substrats umfasst. Das Verfahren umfasst ferner das Ätzen des Substrats nach Durchführung des Strukturierungsprozesses. Der Strukturierungsprozess kann ein In-Volumen-Strukturierungsprozess sein, der eine dreidimensionale Strukturierung innerhalb des Substrats ermöglichen kann. Dies kann einen Vorteil gegenüber anderen Herstellungsverfahren darstellen, da es das Bereitstellen von praktisch allen benötigten Komponenten zu einem einzigen, monolithischen Substrat ermöglicht, was eine höhere Druckfestigkeit der fluidischen Vorrichtung ermöglichen kann.
Das heißt, in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine Ätzrate eines Abschnitts eines Substrats verändert. Mit anderen Worten werden in diesem Schritt die chemischen Bindungen des Abschnitts des Substrats verändert, sodass dieser Abschnitt des Substrats anfälliger für einen bestimmten chemischen Wirkstoff wird. Wenn dieser Wirkstoff dann auf das Substrat aufgetragen wird, unterscheidet sich die Ätzrate dieses Abschnitts von anderen Abschnitten des Substrats.
Es versteht sich, dass der Schritt des Durchführens eines Strukturierungsprozesses in einem Substrat einen oder eine Mehrzahl von Teilschritt(en) umfassen kann, wie weiter unten beschrieben. Das heißt, das Durchführen des Strukturierungsprozesses kann mindestens einen Teilschritt, z. B. das Anwenden eines Lasers zum lokalen Modifizieren der Struktur des Substrats, d. h. eines Abschnitts des Substrats, und in einigen Ausführungsformen eine weitere Behandlung, z. B. eine Wärmebehandlung des Substrats, umfassen. Der Schritt des Durchführens eines Strukturierungsprozesses, der einen oder eine Mehrzahl von Teilschritt(en) umfasst, führt dann zu einer modifizierten Ätzrate eines Abschnitts des Substrats.
Darüber hinaus kann ein derartiges Herstellungsverfahren Mittel bereitstellen, um grundsätzlich jede geometrische Form innerhalb der fluidischen Vorrichtung zu realisieren. So können z. B. gekrümmte Fluidkanäle oder Strukturen mit Hinterschnitt ermöglicht werden. Dies kann vorteilhaft sein, da es die Möglichkeit bieten kann, fluidische Vorrichtungen mit verbesserter Leistung herzustellen, z. B. in Bezug auf das Mischen im Verhältnis zum Volumen einer Mischstruktur oder Dispersion aufgrund des Totvolumens in einer Messzelle. Insgesamt kann dies ein verbessertes Design der Vorrichtung und damit eine Verringerung des Totvolumens und/oder eine Verbesserung der Leistung der fluidischen Vorrichtungen ermöglichen.
Es versteht sich, dass ein derartiges Herstellungsverfahren die Anzahl der Herstellungsschritte gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik reduzieren und damit die Komplexität des Herstellungsprozesses verringern kann, wodurch dieser effizienter, effektiver und weniger fehleranfällig wird. Ferner kann es die Verwendung von biokompatiblen und in einigen Ausführungsformen sogar weitgehend metallfreien Materialien ermöglichen. Daher darf die Vorrichtung auch weder MP35N noch Titan umfassen.
Somit wird ein vielseitigeres (Strukturen von grundsätzlich beliebiger geometrischer Form, In-Volumen-Strukturierung) Verfahren zur Herstellung von fluidischen Vorrichtungen bereitgestellt, das unter Umständen weniger komplex (weniger Herstellungsschritte, monolithisch) als die derzeit verwendeten Herstellungsverfahren ist. Das Verfahren und seine Anwendung können fluidische Vorrichtungen wie Mischer, Filter oder Messzellen mit verbesserter Leistung und/oder geringerem Totvolumen im Vergleich zum derzeitigen Stand der Technik ermöglichen.
Der Strukturierungsprozess kann optisch induziert werden. Ferner kann der Strukturierungsprozess ein Lasersystem umfassen, das die Struktur des Abschnitts des Substrats modifiziert, wobei das Lasersystem einen Laser umfasst. Das heißt, das Lasersystem kann z. B. die chemische Struktur des Substrats lokal modifizieren. Mit anderen Worten kann der Strukturierungsprozess beispielsweise umfassen, die chemischen Bindungen des Abschnitts des Substrats zu modifizieren, um die Struktur lokal für einen bestimmten chemischen Wirkstoff empfänglich zu machen.
Der Laser kann ein Dauerstrich-Laser sein, der vorzugsweise monochromatisches Licht emittieren kann. Alternativ kann der Laser auch ein gepulster Laser sein, der vorzugsweise so konfiguriert werden kann, dass er kurze Laserlichtpulse emittiert. Darüber hinaus kann das Lasersystem so konfiguriert werden, dass es ultrakurze Laserimpulse, d. h. im Femtosekunden- bis Pikosekundenbereich, emittiert.
Das vom Lasersystem emittierte Licht kann in einem Brennfleck fokussiert werden. Der Brennfleck kann ein Fokusvolumen von weniger als 1000 µm³, bevorzugt von weniger als 100 µm³, bevorzugter von weniger als 10 µm³ umfassen. Ferner kann der Brennfleck relativ zum Substrat bewegt werden. Ferner kann der Brennfleck in einigen Ausführungsformen in drei Dimensionen bewegt werden. So ist es z. B. möglich, das Licht auf einen beliebigen Punkt innerhalb des Substrats zu fokussieren und damit eine dreidimensionale Strukturierung des Substrats zu ermöglichen.
Der Strukturierungsprozess kann ferner eine globale chemische, mechanische oder thermische Behandlung des Substrats umfassen. Eine globale Behandlung kann zum Beispiel eine Erwärmung oder Abkühlung des Substrats oder eine Einwirkung einer Chemikalie, wie z. B. eines Gases oder einer Flüssigkeit, umfassen. Der Begriff „global“ kann angeben, dass das gesamte Substrat dieser Behandlung ausgesetzt wird.
Das Substrat kann während des Strukturierungsprozesses relativ zum Lasersystem bewegt werden. Auch hierdurch kann z. B. der Brennfleck des vom Lasersystem emittierten Lichts an verschiedenen Stellen innerhalb des Substrats positioniert werden. Es versteht sich, dass das Bewegen der Probe mit dem Bewegen des Brennflecks kombiniert werden kann. Beispielsweise kann das Substrat bewegt werden, um den Abstand zwischen dem Substrat und dem Brennfleck zu variieren (z. B. in z-Richtung), während der Brennfleck in einer Ebene parallel zum Substrat bewegt werden kann (z. B. in x- und y-Richtung).
Der Schritt des Ätzens des Substrats kann Nassätzen des Substrats umfassen.
Das Verfahren kann ferner das Polieren mindestens eines Teilabschnitts der fluidischen Vorrichtung nach dem Ätzen umfassen. Das heißt, wenn die durch den Ätzprozess erzielte Oberflächenrauheit nicht ausreicht, können die optisch relevanten Innenflächen der Messkammer in einem weiteren Schritt poliert werden. Insbesondere optisch oder fluidisch relevante Oberflächen können poliert werden.
Der Schritt des Polierens mindestens eines Teilabschnitts der fluidischen Vorrichtung kann das Laserpolieren umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann der Schritt des Polierens mindestens eines Teilabschnitts der fluidischen Vorrichtung einen zweiten Schritt des Ätzens des Substrats oder mindestens von Teilen davon umfassen. Das heißt, das Substrat kann ein zweites Mal geätzt werden, zum Beispiel mit einer anderen chemischen Substanz. Der Schritt des Polierens mindestens eines Teils der fluidischen Vorrichtung kann zusätzlich oder alternativ dazu mechanisches Feinpolieren, z. B. mit magnetorheostatischen Fluiden, umfassen.
Das Substrat kann mindestens für einen Abschnitt des Spektrums durchlässig sein. Das heißt, das Substrat kann für elektromagnetische Strahlung innerhalb eines Abschnitts des Spektrums durchlässig sein, z. B. kann es für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektrum wie Glas durchlässig sein. In einigen Ausführungsformen kann mindestens ein Abschnitt des Spektrums den Abschnitt des Spektrums umfassen, der für die optische Induktion des Strukturierungsprozesses erforderlich ist. Das heißt, wenn der Strukturierungsprozess optisch induziert wird, kann das Substrat mindestens für die elektromagnetische Strahlung, die zur optischen Induktion des Strukturierungsprozesses genutzt wird, durchlässig sein.
Zusätzlich oder alternativ kann das Substrat für einen Abschnitt des Spektrums für den Betrieb und/oder die Inspektion der fluidischen Vorrichtung durchlässig sein. Dies kann vorteilhaft sein, da es einen einfachen optischen Zugang zu Komponenten und Elementen innerhalb der fluidischen Vorrichtung bereitstellen kann. Besonders durchlässige Materialien, wie z. B. Quarzglas oder Saphir, können gute Transmissionseigenschaften für den Bau von optischen Messzellen umfassen. Darüber hinaus ist aufgrund des durchlässigen Substrats eine In-situ-Qualitätskontrolle der gesamten Messzelle mit einfachen optischen Messgeräten denkbar.
In einigen Ausführungsformen kann das Substrat mindestens 80 %, bevorzugt mindestens 90 %, bevorzugter mindestens 95 % der elektromagnetischen Strahlung innerhalb des mindestens einen Abschnitts des Spektrums durchlassen.
Weiterhin kann das Substrat aus einem Glas, z. B. Quarzglas, einem Kristall, z. B. Saphir, oder einem Polymer bestehen. Solche Substratmaterialien können beispielsweise generell Biokompatibilität und/oder eine sehr hohe chemische Beständigkeit aufweisen. Darüber hinaus kann ein kristallines Substrat z. B. die Untersuchung anisotroper Materialeigenschaften zur Unterstützung der Messaufgabe ermöglichen. Zum Beispiel kann es doppelbrechende, polarisationsabhängige Messungen ermöglichen.
Das Substrat kann piezoelektrisch sein, was von Vorteil sein kann, da es z. B. ermöglicht, einen Wandler auf dem Substrat zu platzieren, um eine Schallwelle in der monolithischen Vorrichtung für Mess- und/oder Mischaufgaben zu erzeugen. Das heißt, es kann z. B. akustische Messverfahren ermöglichen, die auf dem piezoelektrischen Effekt basieren.
Die modifizierte Ätzrate des Abschnitts des Substrats kann eine Ätzrate eines unstrukturierten Abschnitts des Substrats um einen Faktor von mindestens 10, bevorzugt mindestens 100, bevorzugter mindestens 1000, wie z. B. 10000, überschreiten.
Der gepulste Laser kann eine Wiederholungsrate umfassen, wobei die Wiederholungsrate mindestens 50 Hz, bevorzugt mindestens 1 kHz, bevorzugter mindestens 10 kHz betragen kann.
Der Laser kann eine Wellenlänge umfassen und die Wellenlänge kann auf der Grundlage einer optisch durchlässigen Region des Substrats gewählt werden. Das heißt, die Wellenlänge des Lasers kann so gewählt werden, dass sie innerhalb eines Teils des Spektrums liegt, für den das Substrat durchlässig ist.
Zusätzlich oder alternativ kann der Laser eine Wellenlänge im Bereich von 500 nm bis 3000 nm, bevorzugt 900 nm bis 1500 nm, wie beispielsweise 1000 nm bis 1100 nm, umfassen.
Mit anderen Worten wird in einem ersten Schritt (der verschiedene Teilschritte umfassen kann) des Verfahrens ein Strukturierungsprozess durchgeführt, z. B. kann die Struktur in Volumen geschrieben werden. Das Material innerhalb des strukturierten Volumens wird so verändert, dass behandelte Bereiche eine höhere Ätzrate aufweisen können. Dies wird in einem zweiten Schritt genutzt und die Struktur herausgeätzt. Die nicht behandelten Bereiche dürfen kein signifikantes Volumen aufgrund von unterschiedlichen Ätzraten verlieren. Wenn die durch den Ätzprozess erzielte Oberflächenrauheit nicht ausreicht, können die optisch relevanten Innenflächen der Messkammer in einem weiteren Schritt poliert werden.
So kann beispielsweise das selektive Laserätzen als Herstellungsprozess verwendet werden. In diesem Prozess können Kurzpulslaser eingesetzt werden, um die Struktur mit Multiphotonen-Absorption zu schreiben. Der zweite Prozessschritt der strukturierten Substrate (z. B. Rohlinge) erfolgt in einem Ätzbad.
In einer anderen Ausführungsform bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine fluidische Vorrichtung. Die fluidische Vorrichtung kann durch das vorstehend beschriebene Verfahren erhalten werden. Die fluidische Vorrichtung kann durch das Verfahren nach einer der vorstehenden Verfahrensausführungsformen erhalten werden.
Die fluidische Vorrichtung kann monolithisch sein. Das heißt, die Vorrichtung kann aus einem einzigen Substrat hergestellt sein, d. h. sie kann in einem Stück geformt sein. Zusätzlich oder alternativ dazu darf die fluidische Vorrichtung einen Metallgehalt von 5 %, bevorzugt 1 %, bevorzugter 0,1 %, nicht überschreiten. Die fluidische Vorrichtung kann metallfrei sein.
Die fluidische Vorrichtung kann mindestens eine Messzelle umfassen. Die Messzelle kann eine Messkammer umfassen, die mindestens einen Messkammereinlass und mindestens einen Messkammerauslass umfasst. Das heißt, ein Fluid kann durch den Messkammereinlass in die Messkammer fließen und anschließend die Messkammer durch den Messkammerauslass verlassen.
Die Messzelle kann ferner mindestens einen optischen Zugang zur Messkammer umfassen. Das heißt, die Messkammer kann für Licht zugänglich sein, um z. B. eine optische Messung an einem in der Messkammer enthaltenen Fluid durchzuführen.
Die Messkammer kann ein Messkammervolumen umfassen und das Messkammervolumen kann weniger als 100 µl, bevorzugt weniger als 10 µl, bevorzugter weniger als 1 µl betragen.
Die fluidische Vorrichtung kann eine mikrofluidische Vorrichtung sein.
In einigen Ausführungsformen kann die fluidische Vorrichtung mindestens eine Mischeinheit umfassen. Die Mischeinheit kann mindestens eine Mischstruktur, mindestens einen Mischereinlass und mindestens einen Mischerauslass umfassen. Beispielsweise kann ein Fluid, das eine Mehrzahl von zumindest teilweise getrennten Bestandteilen umfasst, durch den mindestens einen Mischereinlass in die Mischstruktur eintreten, wobei die Mischstruktur die Bestandteile des Fluids aktiv oder passiv mischen kann, um ein Mischfluid an dem mindestens einen Mischerauslass zu bilden.
Die Mischeinheit kann eine Mehrzahl von Mischereinlässen umfassen. So kann z. B. jeder Einlass mit einem anderen Fluid versorgt werden, das innerhalb der Mischeinheit zu einem Mischfluid an dem mindestens einem Auslass der Mischeinheit zusammengeführt werden kann.
Die Mischstruktur kann ein Mischstrukturvolumen umfassen und das Mischstrukturvolumen kann weniger als 500 µl, bevorzugt weniger als 50 µl, bevorzugter weniger als 5 µl betragen.
Bei einigen Ausführungsformen kann die fluidische Vorrichtung eine Filtereinheit umfassen. Die Filtereinheit kann mindestens eine Filterstufe umfassen, die dazu konfiguriert ist, eine durch die Filterstufe fließende Flüssigkeit zu filtern. Jede Filterstufe kann eine Mehrzahl von Poren umfassen, die eine Porengröße (P) umfassen.
So kann Flüssigkeit durch die Poren fließen, die Partikel zurückhalten, die größer als die Porengröße P sind. Das heißt, während des Betriebs kann eine Flüssigkeit durch die einzelnen Poren der mindestens einen Filterstufe fließen und Partikel, die größer als die Porengröße P sind, können nicht durch die Poren fließen und somit aus einem Flüssigkeitsstrom, der durch die Filtereinheit fließt, herausgefiltert werden.
Die Filtereinheit kann eine Mehrzahl von Filterstufen umfassen. Jede Filterstufe kann Poren unterschiedlicher Porengröße (P) umfassen. Das heißt, eine Filtereinheit kann beispielsweise 3 Filterstufen umfassen, wobei jede Filterstufe eine andere Porengröße P umfassen kann. Mit anderen Worten kann die erste Filterstufe Poren einer ersten Porengröße (P1), die zweite Stufe Poren einer zweiten Porengröße (P2) und die dritte Stufe Poren einer dritten Porengröße (P3) umfassen, wobei P1, P2 und P3 im Vergleich zueinander jeweils unterschiedliche Werte aufweisen.
Die Porengröße kann mit jeder Filterstufe in Strömungsrichtung reduziert werden. Das heißt, die erste Filterstufe in der Strömungsrichtung, d. h. die erste Filterstufe, durch die während des Betriebes der Filtereinheit eine Flüssigkeit fließt, kann die größte Porengröße umfassen und die Porengröße kann mit jeder Stufe weiter in Strömungsrichtung verkleinert werden. Mit anderen Worten, in Bezug auf das Beispiel der drei vorstehend genannten Filterstufen ist P₁>P₂>P₃.
In einer eine Mehrzahl von Filterstufen umfassenden Filtereinheit können zwei benachbarte Filterstufen durch einen Trennabstand (A) getrennt sein, wobei der Trennabstand (A) größer sein kann als die Porengröße (P) der dem Trennabstand (A) nachgeschalteten Filterstufe. Dies kann günstig sein, da es die Verstopfung des Filters verzögert und damit eine lange Standzeit ermöglicht.
Die Filtereinheit kann mindestens eine Stützkonstruktion umfassen, die so konfiguriert ist, dass sie mechanische Stabilität bietet. Zusätzlich oder alternativ kann die Filtereinheit eine Mehrzahl von getrennten Filtereinsätzen umfassen. Das heißt, die Filtereinsätze sind im Substrat nicht fluidisch verbunden. Das heißt, die Filtereinsätze können quer zur Strömungsrichtung und innerhalb eines einzigen Substrats nebeneinander angeordnet sein. Außerdem können die Filtereinsätze durch mindestens eine Stützkonstruktion getrennt sein.
Die Filtereinsätze können jeweils unterschiedliche Filterkennlinien umfassen, wobei unterschiedliche Filterkennlinien z. B. durch eine unterschiedliche Anzahl von Filterstufen und/oder unterschiedliche Porengrößen erreicht werden können.
Die Filtereinsätze können jeweils ein identisches Design umfassen. Außerdem kann die Filtereinheit so konfiguriert sein, dass ein Filtereinsatz zum Filtern einer Flüssigkeit verwendet wird, während mindestens ein anderer Filtereinsatz rückgespült wird. Das heißt, während des Betriebs kann ein Filtereinsatz zum Filtern einer Flüssigkeit, z. B. eines Eluenten, verwendet werden, während mindestens ein weiterer Filtereinsatz auf einen Gegenstrom, d. h. eine Strömung entgegen der Strömungsrichtung während der Filtration, ausgerichtet ist. Dies kann vorteilhaft sein, da der Rückstrom den entsprechenden Filtereinsatz von eventuell gefilterten Partikeln reinigen kann und somit einen kontinuierlichen Betrieb der Filtereinheit durch wiederholtes Umschalten zwischen den Filtereinheiten und Reinigen der im aktuellen Zustand nicht verwendeten Filtereinheiten ermöglicht.
Die Filtereinheit kann für eine Dead-End-Filtration und/oder Cross-Flow-Filtration konfiguriert sein.
Die Filtereinheit kann mindestens eine Selbstreinigungsstufe umfassen, die dazu konfiguriert ist, den Filter von gefilterten Partikeln zu reinigen. Die Selbstreinigungsstufe kann Ventile umfassen, die so konfiguriert sind, dass sie eine Strömung vor einer Filterstufe und quer zur Strömungsrichtung herstellen. Die Selbstreinigungsstufe kann beispielsweise seitliche Ventile zum Reinigen des Filters während des Durchflusses umfassen.
Für eine Filtereinheit, bei der jede Filterstufe eine Mehrzahl von Poren umfasst, kann jede Porengröße P der Poren einer Stufe im Bereich von 1 µm bis 300 µm, bevorzugt 1 µm bis 50 µm, bevorzugter 1 µm bis 10 µm, liegen. Eine derart kleine Porengröße kann vorteilhafterweise eine hohe Filterleistung bereitstellen.
Mindestens 50 % der Poren einer Stufe können eine Porengröße im Bereich von 0,8 · P bis 1,2 · P aufweisen, wobei P die durchschnittliche Porengröße dieser Stufe ist, vorzugsweise mindestens 90 % der Poren einer Stufe eine Porengröße im Bereich von 0,9 - P bis 1,1 · P aufweisen, und ferner vorzugsweise mindestens 99 % der Poren einer Stufe eine Porengröße im Bereich von 0,99 · P bis 1,01 · P aufweisen. Das heißt, jede Stufe kann eine enge Porengrößenverteilung umfassen, die zu einer hohen Selektivität und/oder hohen Trenneffizienz der entsprechenden Filterstufe führen kann.
Alternativ oder zusätzlich weisen mindestens 50 % der Poren einer Stufe eine Porengröße in einem Bereich von P - 2 µm bis P + 2 µm auf, und vorzugsweise weisen mindestens 90 % der Poren einer Stufe eine Porengröße in diesem Bereich auf.
Die Filtereinheit kann ein Filtereinheitsvolumen umfassen, wobei das Filtereinheitsvolumen weniger als 500 µl, bevorzugt weniger als 50 µl, bevorzugter weniger als 5 µl betragen kann.
Die Poren können eine Länge parallel zu einer Strömungsrichtung umfassen, wobei die Länge die Porengröße (P) überschreitet.
Die fluidische Vorrichtung umfasst mindestens einen Fluidkanal. Der Fluidkanal kann eine Querschnittsfläche senkrecht zu einer Strömungsrichtung umfassen, und die Querschnittsfläche kann im Bereich von 0,0003 (mm)² bis 13 (mm)², vorzugsweise im Bereich von 0,001 (mm)² bis 1 (mm)², wie z. B. 0,007 (mm)² bis 0,13 (mm)², liegen. Weiterhin kann mindestens ein Abschnitt mindestens eines Fluidkanals einer kontinuierlichen Kurve folgen.
Die fluidische Vorrichtung kann mindestens eine fluidische Struktur, z. B. einen Fluidkanal, eine Messkammer oder eine Mischstruktur, umfassen, die zumindest teilweise eine toroidale, kugelförmige, ellipsoide, kubische, zylindrische oder konische Form umfasst. Ferner kann mindestens eine fluidische Struktur einen Hinterschnitt umfassen.
Die fluidische Vorrichtung kann einen Hohlraum, wie einen Toroid, eine Kugel, ein Ellipsoid, einen Quader, einen Zylinder, eine polyedrische Form oder einen Konus umfassen.
Die fluidische Vorrichtung kann mindestens einen Anschlussabschnitt umfassen, der zur Aufnahme eines fluidischen Steckverbinders, eines Fittings und/oder einer Kapillare konfiguriert ist. Dies kann vorteilhaft sein, da dies eine effiziente und benutzerfreundliche Implementierung von Verbindungen ermöglicht, was insbesondere bei der Herstellung von Verbindungen zu anderen fluidischen Komponenten günstig sein kann.
Die fluidische Vorrichtung kann mindestens eine Ausrichtungsstruktur umfassen, die dazu konfiguriert ist, eine Ausrichtung der fluidischen Vorrichtung innerhalb einer weiteren Komponente zu erleichtern. Eine derartige Ausrichtungsstruktur kann z. B. eine Passbohrung, eine Kerbe, eine Nut oder eine optische Ausrichtungsmarke sein. Generell kann eine weitere Komponente z. B. eine größere Vorrichtung, z. B. ein Detektor oder ein Mittel zum Anschluss von fluidischen oder optischen Instrumenten, sein. Die mindestens eine Ausrichtungsstruktur kann z. B. eine zuverlässige, präzise und einfache Positionierung der fluidischen Vorrichtung, z. B. der Messkammer, in einem Instrument und insbesondere in einem optischen Strahlengang gewährleisten.
Die Einbindung einer oder mehrerer weiterer Komponenten in eine fluidische Vorrichtung, z. B. in Kombination mit einem Filter und/oder einer Messzelle, kann vorteilhaft sein, da sie eine Erweiterung und/oder Verbesserung der Funktionalität der fluidischen Vorrichtung bereitstellen kann. Einige dieser weiteren Komponenten können im Folgenden beschrieben werden.
Die fluidische Vorrichtung kann einen Strömungsteiler, z. B. einen Y-Verteiler, umfassen, der so konfiguriert ist, dass er einen Fluidstrom teilt.
Die fluidische Vorrichtung kann einen Wärmetauscher, z. B. in Form einer geeigneten Mäanderstruktur, umfassen. Ein derartiger Wärmetauscher kann z. B. vor einer Messkammer (d. h. ihr vorgelagert) positioniert sein. Zusätzlich oder alternativ kann die fluidische Vorrichtung eine Kühlstruktur umfassen, die für das aktive Kühlen der fluidischen Vorrichtung konfiguriert ist. So können z. B. Kühlschlangen zur aktiven Temperaturregelung eines Mischers und/oder einer Mischkammer bereitgestellt werden.
Die fluidische Vorrichtung kann ein diffraktives optisches Element, z. B. Beugungsgitter oder Zonenplatten, umfassen. Solche diffraktiven optischen Elemente können z. B. für die Wellenlängentrennung oder -Kombination günstig sein. Das heißt, dass beispielsweise ein Beugungsgitter verwendet werden kann, um einen einfallenden Lichtstrahl, der eine Mehrzahl von Wellenlängen umfasst, räumlich in eine Mehrzahl von Lichtstrahlen aufzutrennen, wobei jeder der Lichtstrahlen Licht einer einzigen, unterschiedlichen Wellenlänge umfassen kann.
Die fluidische Vorrichtung kann ein refraktives optisches Element, z. B. eine Linse oder ein Prisma, umfassen. Solche refraktiven optischen Elemente können z. B. zur Strahlformung (z. B. durch Linsen), zur Wellenlängentrennung oder -Kombination (z. B. mittels eines Prismas) verwendet werden.
Die fluidische Vorrichtung kann einen optischen Spalt umfassen, z. B. zur Strahlformung durch Nuten. Dabei können innerhalb des Substrats separate Strukturen hergestellt werden, sodass daraus resultierende Freistellungen nachträglich mit einem anderen Material, z. B. einem absorbierenden Material, gefüllt werden können. Somit können z. B. bestimmte, potenziell unerwünschte Abschnitte eines optischen Strahls abgeschirmt und/oder ein oder mehrere optische Strahlen räumlich geformt werden (z. B. analog zu einer Blende mit beliebiger Geometrie). Solche einer Messkammer vor- und/oder nachgelagerten Blenden können z. B. geeignet sein, um Licht, das an den Rändern der Messkammer gestreut wird, zu vermeiden oder zu blockieren.
Die fluidische Vorrichtung kann eine Struktur zum Einführen von Lichtleitern, z. B. Lichtleitfasern, umfassen. Dies kann für das Ein- und/oder Auskoppeln von Licht in die bzw. aus der fluidische(n) Vorrichtung, vorzugsweise mit hohem Wirkungsgrad, günstig sein.
Die fluidische Vorrichtung kann eine optischen Struktur umfassen, z. B. ein komplettes optisches System wie ein Interferometer. Die optische Struktur kann z. B. durch zusätzliche optische Elemente realisiert werden, die in einigen Ausführungsformen intern montiert oder befestigt sein können. Ferner kann die optische Struktur mindestens ein extern befestigtes optisches Element umfassen. Das heißt, die optische Struktur kann (falls erforderlich) durch mindestens ein extern angebautes oder befestigtes optisches Element gebildet werden.
Die fluidische Vorrichtung kann ein Ventil, z. B. zur Steuerung eines Fluidwegs, umfassen.
Die fluidische Vorrichtung kann eine Mehrzahl von fluidisch verbundenen Messzellen umfassen. Das heißt, es kann eine Mehrzahl von Messzellen innerhalb eines Substrats realisiert werden. Die Mehrzahl von Messzellen kann hintereinander angeordnet werden. Eine derartige Anordnung hintereinander kann z. B. für Messungen bei verschiedenen Wellenlängen und/oder verschiedenen Parametern wie Absorption, Fluoreszenz, Brechungsindex und/oder Raman-Streuung vorteilhaft eingesetzt werden. Alternativ kann die Mehrzahl von Messzellen parallel angeordnet werden. Eine parallele Anordnung kann z. B. für die Bereitstellung einer Referenzmessung günstig sein.
Der Messkammereinlass mindestens einer Teilmenge der Mehrzahl von Messzellen kann mit einer Verzögerungsstrecke fluidisch verbunden sein, die so konfiguriert ist, dass sie eine Durchflussverzögerung bereitstellt. Eine derartige Durchflussverzögerung kann z. B. durch unterschiedliche Strömungsweglängen und/oder unterschiedliche Strömungswegvolumina bereitgestellt sein.
Die fluidische Vorrichtung kann eine Mehrzahl von Mischeinheiten umfassen. Das heißt, es kann eine Mehrzahl von Mischeinheiten innerhalb eines Substrats realisiert werden. Die Mehrzahl von Mischeinheiten kann hintereinander angeordnet werden. Dies kann z. B. zeitversetztes Mischen verschiedener Komponenten ermöglichen. Alternativ kann die Mehrzahl von Mischeinheiten parallel angeordnet werden. Eine parallele Anordnung kann z. B. für die Bereitstellung einer Referenzmessung günstig sein.
Der Mischereinlass mindestens einer Teilmenge der Mehrzahl von Mischeinheiten kann mit einer Verzögerungsstrecke fluidisch verbunden sein, die so konfiguriert ist, dass sie eine Durchflussverzögerung bewirkt. Auch hier kann eine derartige Durchflussverzögerung z. B. durch unterschiedliche Strömungsweglängen und/oder unterschiedliche Strömungswegvolumina bereitgestellt sein.
Jede Verzögerungsstrecke kann eine unterschiedliche Durchflussverzögerung bereitstellen. Das heißt, die mit dem Messkammereinlass und/oder dem Mischereinlass fluidisch verbundene Verzögerungsstrecke kann jeweils eine unterschiedliche Durchflussverzögerung bewirken.
Die fluidische Vorrichtung kann eine Reaktionskammer umfassen, die einen Reaktionskammereinlass und einen Reaktionskammerauslass umfasst. Die Reaktionskammer kann mindestens einen zusätzlichen fluidischen Zugang umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann die Reaktionskammer mindestens einen optischen Zugang, z. B. für die Photoderivatisierung, umfassen. Typischerweise kann die Reaktionskammer der Messkammer vorgelagert sein und/oder Mischern vor-, nach- oder zwischengelagert sein und kann z. B. vorteilhaft für die chemische, physikalische und/oder optische Probenvorbereitung genutzt werden.
Die fluidische Vorrichtung kann eine Befestigungsstruktur umfassen, die für die Montage von zusätzlichen Komponenten, z. B. Detektorkomponenten wie Lichtquellen oder Elektronik, konfiguriert ist. Zusätzlich oder alternativ kann die fluidische Vorrichtung für die Montage oder Befestigung von aktiven Elementen, z. B. magnetischen oder piezoelektrischen Stellantrieben, konfiguriert sein. Zum Beispiel für die Realisierung aktiver Mischprozesse unter Verwendung von akustischen Oberflächenwellen, Ultraschall oder Elektrokinetik.
Die fluidische Vorrichtung kann dazu konfiguriert sein, mit klassisch gebondeten Teilen verbunden zu werden.
Die fluidische Vorrichtung kann für Drücke bis zu mindestens 50 bar, bevorzugt bis zu mindestens 500 bar, bevorzugter bis zu mindestens 1000 bar, noch bevorzugter bis zu mindestens 1500 bar, konfiguriert sein. Eine Druckbeständigkeit von mindestens 50 bar kann z. B. die sichere Verwendung der fluidischen Vorrichtung anderen Messgeräten, insbesondere Massenspektrometern, vorgelagert, ermöglichen. Um den Anwendungsbereich der fluidischen Vorrichtung zu maximieren, kann jedoch eine höhere Druckfestigkeit bevorzugt werden. Die Druckfestigkeit kann z. B. durch entsprechende Materialstärke an die Anforderungen angepasst werden. So können z. B. 200-300 bar für den sicheren Einsatz in Kombination mit Ventilen vorteilhaft sein, wo beim Schalten Druckspitzen auftreten können, während bis zu 1500 bar für den Betrieb einer fluidischen Vorrichtung vor einer Trennsäule vorteilhaft sein können.
Die fluidische Vorrichtung kann eine Wandstärke von 0,05 mm bis 100 mm, vorzugsweise 0,01 mm bis 50 mm, umfassen. Ferner kann die fluidische Vorrichtung eine Länge im Bereich von 0,1 mm bis 200 mm, vorzugsweise 0,5 mm bis 100 mm, umfassen. Die fluidische Vorrichtung kann eine Breite im Bereich von 0,1 mm bis 200 mm, vorzugsweise 0,5 mm bis 100 mm, und zusätzlich oder alternativ dazu eine Höhe im Bereich von 0,1 mm bis 200 mm, vorzugsweise 0,5 mm bis 100 mm, umfassen.
Die fluidische Vorrichtung kann metallfrei sein. Das heißt, sie kann einen Metallgehalt von 0 % umfassen.
Die fluidische Vorrichtung kann einen durch das Verfahren gebildeten Hohlraum umfassen, wobei der Hohlraum eine Oberfläche mit einer mittleren arithmetischen Rauheit Ra unter 1 µm, vorzugsweise unter 100 nm, bevorzugter unter 10 nm, umfassen kann. Es versteht sich, dass der Hohlraum die Messkammer, die Mischeinheit und/oder den Fluidkanal umfassen kann. Auch die anderen im Substrat gebildeten Strukturen können von dem Hohlraum umfasst sein.
Die fluidische Vorrichtung kann einen Kugelsitz eines Ventils umfassen.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Technologie ein System. Das System umfasst die fluidische Vorrichtung, wie vorstehend beschrieben. Das System kann eine Vorrichtungs-Stützkonstruktion umfassen, die so konfiguriert ist, dass sie die fluidische Vorrichtung so stützt, dass sie Drücken bis zu mindestens 500 bar, wie z. B. 1000 bar, vorzugsweise bis zu mindestens 1500 bar, standhält.
Das System kann eine Lichtquelle umfassen. Es versteht sich, dass das System auch eine Mehrzahl von Lichtquellen umfassen kann.
Das System kann einen Detektor umfassen, wobei der Detektor mindestens eines von einem optischen Detektor, einem Absorptionsdetektor, einem Fluoreszenzdetektor und einem Raman-Detektor sein kann. Auch hier kann das System eine Mehrzahl von Detektoren umfassen.
In einer Ausführungsform, bei der das Substrat der fluidischen Vorrichtung piezoelektrisch ist, kann das System Komponenten umfassen, die zum Anlegen eines elektrischen Feldes konfiguriert sind. Das heißt, das System kann z. B. Elektroden oder andere Mittel zum Anlegen eines elektrischen Feldes umfassen, um die akustischen Eigenschaften eines piezoelektrischen Substrats zu erfassen.
Das System kann ein chemisches Analysesystem sein. Ferner kann das System ein Flüssigkeitschromatografiesystem sein. Das System kann zudem ein Hochleistungs-Flüssigkeitschromatografiesystem sein.
In einer anderen Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der Fluidik nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen. Die Verwendung kann ein Fluid umfassen, das durch die fluidische Vorrichtung fließt.
Die Verwendung kann in einem System erfolgen. Ferner kann das System ein Flüssigkeitschromatografiesystem sein. Das System kann zudem ein Hochleistungs-Flüssigkeitschromatografiesystem sein.
In Ausführungsformen, bei denen die fluidische Vorrichtung eine Filtereinheit umfasst, die wie vorstehend beschrieben für Rückspülen konfiguriert ist, kann die Verwendung das Filtern einer Flüssigkeit, die durch einen Filtereinsatz in einer ersten Strömungsrichtung fließt, umfassen, während ein anderer Filtereinsatz durch eine Flüssigkeit, die durch den anderen Filtereinsatz in einer zweiten, der ersten Strömungsrichtung entgegengesetzten Strömungsrichtung fließt, gespült wird.
Ferner können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Verwendung eines Verfahrens wie vorstehend beschrieben zur Herstellung einer fluidischen Vorrichtung wie vorstehend beschrieben umfassen.
Die fluidische Vorrichtung kann für die vorstehend beschriebene Verwendung konfiguriert sein.
Das System kann für die vorstehend beschriebene Verwendung konfiguriert sein.
Das heißt, das vorstehend beschriebene Verfahren und dessen Verwendung kann die Herstellung von fluidischen Vorrichtungen wie vorstehend beschrieben ermöglichen, die eine Minimierung des Lösemittelverbrauchs und der Volumina im HPLC-System, wie z. B. Totvolumen, Verzögerungsvolumen und/oder Dispersionsvolumen, durch die Verwendung kleiner Kapillar-, Messzellen-, Mischereinheits- und/oder Filtereinheitsgrößen, d. h. durch Miniaturisierung, ermöglichen. Dies kann vor dem Hintergrund des allgemeinen Trends zur Verwendung kleiner Probenmengen günstig sein und zusätzlich Systeme mit geringer fluidischer Dispersion ermöglichen.
Es versteht sich, dass das Totvolumen im Zusammenhang mit HPLC-Systemen das Fluidvolumen des Systems ohne den Beitrag der Trennsäule und ohne ein dem Probeninjektor vor- und dem Detektor nachgelagertes Volumen bezeichnet. Es kann auch als „Außersäulenvolumen“ bezeichnet werden. Das Verzögerungsvolumen, häufig auch als „Verweilvolumen“ bezeichnet, bezeichnet typischerweise das Fluidvolumen eines HPLC-Systems, das einem Punkt der Mischung der Lösemittel nachgelagert ist (und diesen einschließt) und der Trennsäule vorgelagert ist. Außerdem kann jedes einem Probeninjektionspunkt nach- und einem Detektionspunkt vorgelagerte Volumen zu einer Dispersion der Probe oder von deren Bestandteilen, insbesondere in Längsrichtung, beitragen. Daher kann dieses Volumen auch als „Dispersionsvolumen“ bezeichnet werden. Es versteht sich, dass die Minimierung dieser Volumina für die Leistung eines HPLC-Systems von Vorteil sein kann, da sie beispielsweise die Säuleneffizienz und/oder die Auflösung des Systems verbessern kann. Sie kann auch die Verweilzeit des Systems reduzieren.
Ausführungsformen der Erfindung betreffen die Verwendung eines zweistufigen Prozesses: eines Strukturierungsprozesses, wie z. B. die dreidimensionale In-Volumen-Strukturierung (die verschiedene Teilschritte umfassen kann), die die Ätzrate modifiziert, und eines anschließenden selektiven Ätzprozesses. Dem zweistufigen Prozess kann bei Bedarf ein geeigneter Polierschritt, insbesondere das Laserpolieren, folgen, um eine neue monolithische fluidische Vorrichtung, z. B. für LC oder HPLC, zu erzeugen. Der Prozess kann die Verwendung von universellen Werkstoffen und die Fertigung von hochintegrierten Systemen für maximale Zuverlässigkeit ebenso wie integrierte Sensoren vorteilhaft ermöglichen. Das heißt, das Verfahren kann beispielsweise eine optisch induzierte dreidimensionale In-Volumen-Strukturierung (z. B. mit Hilfe eines Kurzpulslasers) und anschließendes selektives Ätzen zur Erzeugung beliebiger Strukturen in Glas, Saphir und anderen durchlässigen Festkörpern umfassen. Diese Strukturen können alle bevorzugten Funktionen der fluidischen Vorrichtung auf einem monolithischen Block ausbilden. So können z. B. bei einem Filter sowohl die eigentliche Filterstruktur als auch das äußere Gehäuse und/oder Abstandshalter zwischen verschiedenen Filterschichten innerhalb des Substrats realisiert werden. Ferner ist die Integration von zusätzlichen Filterstufenstrukturen zur präzisen Positionierung oder fluidischen Strukturen zur Reinigung denkbar.
Die vorliegende Erfindung ist ebenfalls durch die folgenden nummerierten Ausführungsformen definiert.
Nachstehend wird auf Verfahrensausführungsformen Bezug genommen. Diese Ausführungsformen werden durch den Buchstaben „M“ mit nachfolgender Nummer abgekürzt. Wann immer in diesem Schriftstück auf „Verfahrensausführungsformen“ Bezug genommen wird, sind diese Ausführungsformen gemeint.

M1. Verfahren zum Herstellen einer fluidischen Vorrichtung, wobei das Verfahren umfasst:
- Durchführen eines Strukturierungsprozesses in einem Substrat und dadurch Modifizieren einer Ätzrate eines Abschnitts des Substrats; und
- Ätzen des Substrats nach Durchführung des Strukturierungsprozesses.
M2. Verfahren nach der vorstehenden Verfahrensausführungsform, wobei der Strukturierungsprozess einen In-Volumen-Strukturierungsprozess umfasst.
M3. Verfahren nach einer der vorstehenden Verfahrensausführungsformen, wobei der Strukturierungsprozess optisch induziert ist.
M4. Verfahren nach der vorstehenden Verfahrensausführungsform, wobei der Strukturierungsprozess ein Lasersystem umfasst, das die Struktur des Abschnitts des Substrats modifiziert, wobei das Lasersystem einen Laser umfasst.
M5. Verfahren nach der vorstehenden Verfahrensausführungsform, wobei der Laser ein Dauerstrichlaser ist, der vorzugsweise monochromatisches Licht emittiert.
M6. Verfahren nach der vorletzten Verfahrensausführungsform, wobei der Laser ein gepulster Laser ist und vorzugsweise zum Emittieren kurzer Laserlichtpulse konfiguriert ist.
M7. Verfahren nach der vorstehenden Verfahrensausführungsform, wobei das Lasersystem dazu konfiguriert ist, ultrakurze Laserpulse zu emittieren.
M8. Verfahren nach einer der vorstehenden Verfahrensausführungsformen mit den Merkmalen von M4, wobei das vom Lasersystem emittierte Licht in einem Brennfleck fokussiert wird.
M9. Verfahren nach der vorstehenden Verfahrensausführungsform, wobei der Brennfleck ein Fokusvolumen kleiner als 1000 µm³, bevorzugt kleiner als 100 µm³, besonders bevorzugt kleiner als 10 µm³, umfasst.
M10. Verfahren nach einer der 2 vorstehenden Verfahrensausführungsformen, wobei der Brennfleck relativ zum Substrat bewegt wird.
M11. Verfahren nach der vorstehenden Ausführungsform, wobei der Brennfleck in drei Dimensionen bewegt wird.
M12. Verfahren nach einer der vorstehenden Verfahrensausführungsformen, wobei der Strukturierungsprozess ferner eine globale chemische, mechanische oder thermische Behandlung des Substrats umfasst.
M13. Verfahren nach einer der vorstehenden Verfahrensausführungsformen mit den Merkmalen von M4, wobei das Substrat während des Strukturierungsprozesses relativ zum Lasersystem bewegt wird.
M14. Verfahren nach einer der vorstehenden Verfahrensausführungsformen, wobei der Schritt des Ätzens des Substrats ein Nassätzen des Substrats umfasst.
M15. Verfahren nach einer der vorstehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Verfahren ferner das Polieren mindestens eines Teilabschnitts der fluidischen Vorrichtung nach dem Ätzen umfasst.
M16. Verfahren nach der vorstehenden Verfahrensausführungsform, wobei der Schritt des Polierens von mindestens einem Teilabschnitt der fluidischen Vorrichtung das Laserpolieren umfasst.
M17. Verfahren nach einer der 2 vorstehenden Verfahrensausführungsformen, wobei der Schritt des Polierens mindestens eines Teilabschnitts der fluidischen Vorrichtung einen zweiten Schritt des Ätzens des Substrats oder zumindest von Teilen davon umfasst.
M18. Verfahren nach einer der 3 vorstehenden Verfahrensausführungsformen, wobei der Schritt des Polierens zumindest eines Teils der fluidischen Vorrichtung mechanisches Feinpolieren umfasst.
M19. Verfahren nach einer der vorstehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Substrat für mindestens einen Abschnitt des Spektrums durchlässig ist.
M20. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen von Ausführungsform M3, wobei der mindestens eine Abschnitt des Spektrums einen Abschnitt des Spektrums zum optischen Induzieren des Strukturierungsprozesses umfasst.
M21. Verfahren nach einer der 2 vorstehenden Ausführungsformen, wobei der mindestens eine Abschnitt des Spektrums einen Abschnitt des Spektrums für den Betrieb und/oder die Inspektion der fluidischen Vorrichtung umfasst.
M22. Verfahren nach einer der 3 vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Substrat mindestens 80 %, bevorzugt mindestens 90 %, bevorzugter mindestens 95 % der elektromagnetischen Strahlung innerhalb des mindestens einen Abschnitts des Spektrums durchlässt.
M23. Verfahren nach einer der vorstehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Substrat aus einem Glas, einem Kristall oder einem Polymer hergestellt ist.
M24. Verfahren nach einer der vorstehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Substrat piezoelektrisch ist.
M25. Verfahren nach einer der vorstehenden Verfahrensausführungsformen, wobei die modifizierte Ätzrate des Abschnitts des Substrats eine Ätzrate eines unstrukturierten Abschnitts des Substrats um einen Faktor von mindestens 10, bevorzugt mindestens 100, bevorzugter mindestens 1000, wie z. B. 10000, überschreitet.
M26. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen von M6, wobei der gepulste Laser eine Wiederholungsrate umfasst und wobei die Wiederholungsrate mindestens 50 Hz, bevorzugt mindestens 1 kHz, bevorzugter mindestens 10 kHz beträgt.
M27. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen von M4, wobei der Laser eine Wellenlänge umfasst und wobei die Wellenlänge auf der Basis einer optisch durchlässigen Region des Substrats gewählt wird.
M28. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen, mit den Merkmalen von M4, wobei der Laser eine Wellenlänge im Bereich von 500 nm bis 3000 nm, vorzugsweise 900 nm bis 1500 nm, wie z. B. 1000 nm bis 1100 nm, umfasst.

Nachstehend wird auf Vorrichtungsausführungsformen Bezug genommen. Diese Ausführungsformen werden durch den Buchstaben „D“ mit nachfolgender Nummer abgekürzt. Wann immer in diesem Schriftstück auf „Vorrichtungsausführungsformen“ Bezug genommen wird, sind diese Ausführungsformen gemeint.
D1. Fluidische Vorrichtung, wobei die fluidische Vorrichtung durch das Verfahren nach einer der vorstehenden Verfahrensausführungsformen erhalten werden kann.
D2. Fluidische Vorrichtung nach der vorstehenden Vorrichtungsausführungsform, wobei die fluidische Vorrichtung durch das Verfahren nach einer der vorstehenden Verfahrensausführungsformen erhalten wird.
D3. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung monolithisch ist.
D4. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung einen Metallgehalt von nicht mehr als 5 %, bevorzugt 1 %, bevorzugter 0,1 %, umfasst.
D5. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung mindestens eine Messzelle umfasst.
D6. Fluidische Vorrichtung nach der vorstehenden Vorrichtungsausführungsform, wobei die Messzelle eine Messkammer umfasst, die mindestens einen Messkammereinlass und mindestens einen Messkammerauslass umfasst.
D7. Fluidische Vorrichtung nach der vorstehenden Vorrichtungsausführungsform, wobei die Messzelle ferner mindestens einen optischen Zugang zur Messkammer umfasst.
D8. Fluidische Vorrichtung nach einer der 2 vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die Messkammer ein Messkammervolumen umfasst und wobei das Messkammervolumen weniger als 100 µl, bevorzugt weniger als 10 µl, bevorzugter weniger als 1 µl beträgt.
D9. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung eine mikrofluidische Vorrichtung ist.
D10. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung mindestens eine Mischeinheit umfasst.
D11. Fluidische Vorrichtung nach der vorstehenden Vorrichtungsausführungsform, wobei die Mischeinheit umfasst:

mindestens eine Mischstruktur;
mindestens einen Mischereinlass; und
mindestens einen Mischerauslass.

D12. Fluidische Vorrichtung nach der vorstehenden Vorrichtungsausführungsform, wobei die Mischeinheit eine Mehrzahl von Mischereinlässen umfasst.
D13. Fluidische Vorrichtung nach einer der 2 vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die Mischstruktur ein Mischstrukturvolumen umfasst und wobei das Mischstrukturvolumen weniger als 500 µl, bevorzugt weniger als 50 µl, bevorzugter weniger als 5 µl beträgt.
D14. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung eine Filtereinheit umfasst.
D15. Fluidische Vorrichtung nach der vorstehenden Vorrichtungsausführungsform, wobei die Filtereinheit mindestens eine Filterstufe umfasst, die zum Filtern einer durch die Filterstufe strömenden Flüssigkeit ausgebildet ist.
D16. Fluidische Vorrichtung nach der vorstehenden Vorrichtungsausführungsform, wobei jede Filterstufe eine Mehrzahl von Poren mit einer Porengröße (P) umfasst.
D17. Fluidische Vorrichtung nach einer der 2 vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die Filtereinheit eine Mehrzahl von Filterstufen umfasst.
D18. Fluidische Vorrichtung nach den 2 vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei jede Filterstufe Poren mit unterschiedlicher Porengröße (P) umfasst.
D19. Fluidische Vorrichtung nach der vorstehenden Vorrichtungsausführungform, wobei die Porengröße mit jeder Filterstufe in Strömungsrichtung reduziert wird.
D20. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen mit den Merkmalen von D17,

wobei zwei benachbarte Filterstufen durch einen Trennabstand (A) getrennt sind; und
wobei der Trennabstand (A) größer ist als die Porengröße (P) der dem Trennabstand (A) nachgelagerten Filterstufe.

D21. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen mit den Merkmalen von D14, wobei die Filtereinheit mindestens eine Stützkonstruktion umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie mechanische Stabilität bietet.
D22. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen mit den Merkmalen von Ausführungsform D14, wobei die Filtereinheit eine Mehrzahl von getrennten Filtereinsätzen umfasst.
D23. Fluidische Vorrichtung mit den Merkmalen der 2 vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die Filtereinsätze durch mindestens eine Stützkonstruktion getrennt sind.
D24. Fluidische Vorrichtung nach einer der 2 vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die Filtereinsätze jeweils unterschiedliche Filterkennlinien umfassen.
D25. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen mit Ausnahme der Merkmale der vorstehenden Ausführungsform und mit den Merkmalen von D22, wobei die Filtereinsätze jeweils ein identisches Design umfassen.
D26. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen mit den Merkmalen von D22, wobei die Filtereinheit so konfiguriert ist, dass sie einen Filtereinsatz zum Filtern einer Flüssigkeit verwendet, während mindestens ein anderer Filtereinsatz rückgespült wird.
D27. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen mit den Merkmalen von D14, wobei die Filtereinheit für eine Dead-End-Filtration und/oder Cross-Flow-Filtration konfiguriert ist.
D28. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen mit den Merkmalen von D14, wobei die Filtereinheit mindestens eine Selbstreinigungsstufe umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie den Filter von gefilterten Partikeln reinigt.
D29. Fluidische Vorrichtung nach der vorstehenden Vorrichtungsausführungsform, wobei die Selbstreinigungsstufe Ventile umfasst, die so konfiguriert sind, dass sie eine Strömung vor einer Filterstufe und quer zur Strömungsrichtung herstellen.
D30. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen mit den Merkmalen von D16, wobei jede Porengröße P im Bereich von 1 µm bis 300 µm, bevorzugt von 1 µm bis 50 µm, bevorzugter von 1 µm bis 10 µm, liegt.
D31. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen mit den Merkmalen von D16, wobei mindestens 50 % der Poren einer Stufe eine Porengröße in einem Bereich von 0,8 • P bis 1,2 · P aufweisen, wobei P die durchschnittliche Porengröße dieser Stufe ist, wobei vorzugsweise mindestens 90 % der Poren einer Stufe eine Porengröße in einem Bereich von 0,9 · P bis 1,1 · P aufweisen, und wobei ferner vorzugsweise mindestens 99 % der Poren einer Stufe eine Porengröße in einem Bereich von 0,99 · P bis 1,01 · P aufweisen.
D32. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen mit den Merkmalen von D14, wobei die Filtereinheit ein Filtereinheitsvolumen umfasst und wobei das Filtereinheitsvolumen weniger als 500 µl, bevorzugt weniger als 50 µl, bevorzugter weniger als 5 µl beträgt.
D33. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen mit den Merkmalen von Ausführungsform D16, wobei die Poren eine Länge parallel zu einer Strömungsrichtung umfassen und wobei die Länge die Porengröße (P) überschreitet.
D34. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung mindestens einen Fluidkanal umfasst.
D35. Fluidische Vorrichtung nach der vorstehenden Vorrichtungsausführungsform, wobei der Fluidkanal eine Querschnittsfläche senkrecht zu einer Strömungsrichtung umfasst und wobei die Querschnittsfläche im Bereich von 0,0003 (mm)² bis 3 (mm)², vorzugsweise im Bereich von 0,001 (mm)² bis 1 (mm)^2, wie 0,007 (mm)² bis 0,13 (mm)², liegt.
D36. Fluidische Vorrichtung nach einer der 2 vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei mindestens ein Abschnitt mindestens eines Fluidkanals einer kontinuierlichen Kurve folgt.
D37. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung mindestens eine fluidische Struktur umfasst, die zumindest teilweise eine toroidale, kugelförmige, ellipsoide, kubische, zylindrische oder konische Form umfasst.
D38. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei mindestens eine fluidische Struktur eine Hinterschnitt umfasst.
D39. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung einen Hohlraum, wie einen Toroid, eine Kugel, ein Ellipsoid, einen Quader, einen Zylinder, eine polyedrische Form oder einen Konus, umfasst.
D40. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung mindestens einen Anschlussabschnitt umfasst, der so konfiguriert ist, dass er einen fluidischen Steckverbinder, ein Fitting und/oder eine Kapillare aufnimmt.
D41. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung mindestens eine Ausrichtungsstruktur umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie eine Ausrichtung der fluidischen Vorrichtung innerhalb einer weiteren Komponente unterstützt.
D42. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung einen Strömungsteiler umfasst.
D43. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung einen Wärmetauscher umfasst.
D44. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung eine Kühlstruktur umfasst, die für das aktive Kühlen der fluidischen Vorrichtung konfiguriert ist.
D45. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung ein diffraktives optisches Element umfasst.
D46. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung ein refraktives optisches Element umfasst.
D47. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung einen optischen Spalt umfasst.
D48. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung eine Struktur zur Einführung von Lichtleitern umfasst.
D49. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung eine optische Struktur umfasst.
D50. Fluidische Vorrichtung nach der vorstehenden Vorrichtungsausführungsform, wobei die optische Struktur mindestens ein extern befestigtes optisches Element umfasst.
D51. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung ein Ventil umfasst.
D52. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen mit den Merkmalen von D5, wobei die fluidische Vorrichtung eine Mehrzahl von fluidisch verbundenen Messzellen umfasst.
D53. Fluidische Vorrichtung entsprechend der vorstehenden Vorrichtungsausführungsform, wobei die Mehrzahl von Messzellen hintereinander angeordnet ist.
D54. Fluidische Vorrichtung nach der vorletzten Vorrichtungsausführungsform, bei der die Mehrzahl von Messzellen parallel angeordnet ist.
D55. Fluidische Vorrichtung nach einer der 3 vorstehenden Ausführungsformen, wobei der Messkammereinlass mindestens einer Teilmenge der Mehrzahl von Messzellen fluidisch mit einer Verzögerungsstrecke verbunden ist, die so konfiguriert ist, dass sie eine Durchflussverzögerung bewirkt.
D56. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen mit den Merkmalen von D10, wobei die fluidische Vorrichtung eine Mehrzahl von Mischeinheiten umfasst.
D57. Fluidische Vorrichtung nach der vorstehenden Vorrichtungsausführungsform, wobei die Mehrzahl von Mischeinheiten hintereinander angeordnet ist.
D58. Fluidische Vorrichtung nach der vorletzten Vorrichtungsausführungsform, wobei die Mehrzahl von Mischeinheiten parallel angeordnet ist.
D59. Fluidische Vorrichtung nach einer der 3 vorstehenden Ausführungsformen, wobei der Mischereinlass mindestens einer Teilmenge der Mehrzahl von Mischeinheiten fluidisch mit einer Verzögerungsstrecke verbunden ist, die so konfiguriert ist, dass sie eine Durchflussverzögerung bereitstellt.
D60. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen von mindestens einem von D55 und D59, wobei jede Verzögerungsstrecke eine unterschiedliche Durchflussverzögerung bereitstellt.
D61. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung eine Reaktionskammer umfasst, die einen Reaktionskammereinlass und einen Reaktionskammerauslass umfasst.
D62. Fluidische Vorrichtung nach der vorstehenden Vorrichtungsausführungsform, wobei die Reaktionskammer mindestens einen zusätzlichen fluidischen Zugang umfasst.
D63. Fluidische Vorrichtung nach einer der 2 vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die Reaktionskammer mindestens einen optischen Zugang umfasst.
D64. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung eine Montagestruktur umfasst, die für das Montieren von zusätzlichen Komponenten, z. B. Detektorkomponenten wie Lichtquellen oder Elektronik, konfiguriert ist.
D65. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung zum Montieren oder Befestigen von aktiven Elementen konfiguriert ist.
D66. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung zum Verbinden mit klassisch gebondeten Teilen konfiguriert ist.
D67. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung für Drücke bis zu mindestens 50 bar, bevorzugt bis zu mindestens 500 bar, bevorzugter bis zu mindestens 1000 bar, noch bevorzugter bis zu mindestens 1500 bar, konfiguriert ist.
D68. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung eine Wandstärke von 0,01 mm bis 100 mm, vorzugsweise 0,05 mm bis 50 mm, umfasst.
D69. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung eine Länge im Bereich von 0,1 mm bis 200 mm, vorzugsweise 0,5 mm bis 100 mm, umfasst.
D70. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung eine Breite im Bereich von 0,1 mm bis 200 mm, vorzugsweise von 0,5 mm bis 100 mm, umfasst.
D71. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung eine Höhe im Bereich von 0,1 mm bis 200 mm, vorzugsweise von 0,5 mm bis 100 mm, umfasst.
D72. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung metallfrei ist.
D73. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung einen durch das Verfahren gebildeten Hohlraum umfasst, wobei der Hohlraum eine Oberfläche mit einer mittleren arithmetischen Rauheit Ra unter 1 µm, bevorzugt unter 100 nm, bevorzugter unter 10 nm, umfasst.
D74. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung einen Kugelsitz eines Ventils umfasst.
D75. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen mit den Merkmalen von D16, wobei mindestens 50 % der Poren einer Stufe eine Porengröße in einem Bereich von P - 2 µm bis P + 2 µm aufweisen, und vorzugsweise mindestens 90 % der Poren einer Stufe eine Porengröße in diesem Bereich aufweisen.
Nachstehend wird auf Systemausführungsformen Bezug genommen. Diese Ausführungsformen werden durch den Buchstaben „S“ mit nachfolgender Nummer abgekürzt. Wann immer in diesem Schriftstück auf „Systemausführungsformen“ Bezug genommen wird, sind diese Ausführungsformen gemeint.

51. System, umfassend die fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen.
S2. System nach der vorstehenden Systemausführungsform, wobei das System eine Vorrichtungs-Stützkonstruktion umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie die fluidische Vorrichtung so stützt, dass sie Drücken bis zu mindestens 500 bar, wie 1000 bar, vorzugsweise bis zu mindestens 1500 bar, standhält.
S3. System nach einer der vorstehenden Systemausführungsformen, wobei das System eine Lichtquelle umfasst.
54. System nach einer der vorstehenden Systemausführungsformen, wobei das System einen Detektor umfasst.
55. System nach der vorstehenden Systemausführungsform, wobei der Detektor ein optischer Detektor ist.
S6. System nach der vorstehenden Systemausführungsform, wobei der Detektor ein Absorptionsdetektor ist.
S7. System nach der vorletzten Systemausführungsform, wobei der Detektor ein Fluoreszenzdetektor ist.
S8. System nach der Ausführungsform S5, wobei der Detektor ein Raman-Detektor ist.
S9. System nach einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Substrat der fluidischen Vorrichtung piezoelektrisch ist und wobei das System Komponenten umfasst, die dazu konfiguriert sind, ein elektrisches Feld anzulegen.
S10. System nach einer der vorstehenden Systemausführungsformen, wobei das System ein chemisches Analysesystem ist.
S11. System nach der vorstehenden Systemausführungsform, wobei das System ein Flüssigkeitschromatografiesystem ist.
S12. System nach der vorstehenden Systemausführungsform, wobei das System ein Hochleistungs-Flüssigkeitschromatografiesystem ist.

Nachstehend wird auf Verwendungsausführungsformen Bezug genommen. Diese Ausführungsformen werden durch den Buchstaben „U“ mit nachfolgender Nummer abgekürzt. Wann immer in diesem Schriftstück auf „Verwendungsausführungsformen“ Bezug genommen wird, sind diese Ausführungsformen gemeint.
U1. Verwendung der fluidischen Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen.
U2. Verwendung nach der vorstehenden Ausführungsform, wobei die Verwendung das Fließen eines Fluids durch die fluidische Vorrichtung umfasst.
U3. Verwendung nach einer der vorstehenden Verwendungsausführungsformen, wobei die Verwendung in einem System erfolgt.
U4. Verwendung nach der vorstehenden Verwendungsausführungsform, wobei das System ein Flüssigkeitschromatografiesystem ist.
U5. Verwendung nach der vorstehenden Verwendungsausführungsform, wobei das System ein Hochleistungs-Flüssigkeitschromatografiesystem ist.
U6. Verwendung nach einer der vorstehenden Verwendungsausführungsformen, wobei die fluidische Vorrichtung die Merkmale der Ausführungsform D26 umfasst, wobei die Verwendung das Filtern einer Flüssigkeit umfasst, die durch einen Filtereinsatz in einer ersten Strömungsrichtung fließt, während ein anderer Filtereinsatz durch eine Flüssigkeit, die durch den anderen Filtereinsatz in einer zweiten, der ersten Strömungsrichtung entgegengesetzten Strömungsrichtung fließt, gespült wird.
U7. Verwendung eines Verfahrens nach einer der vorstehenden Verfahrensausführungsformen zur Herstellung einer fluidischen Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen.
D76. Fluidische Vorrichtung nach einer der vorstehenden Vorrichtungsausführungsformen, wobei die Vorrichtung für die Verwendung nach einer der vorstehenden Verwendungsausführungsformen konfiguriert ist.
S13. System nach einer der vorstehenden Systemausführungsformen, wobei das System für die Verwendung nach einer der vorstehenden Verwendungsausführungsformen konfiguriert ist.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Diese Ausführungsformen sollten nur Beispiele für die vorliegende Erfindung geben, sie aber nicht einschränken.

1a veranschaulicht ein Herstellungsverfahren nach einer allgemeinen Ausführungsform;
1b veranschaulicht ein Herstellungsverfahren nach einer anderen Ausführungsform;
2 veranschaulicht eine Messzelle nach dem Stand der Technik;
3a veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer fluidischen Vorrichtung, die eine Messzelle umfasst;
3b veranschaulicht einen Querschnitt eines Abschnitts der fluidischen Vorrichtung von 3a;
4 veranschaulicht ein Detektorsystem, das eine fluidische Vorrichtung verwendet;
5 a)-d) veranschaulichen schematisch verschiedene Mischeinheiten; und
6 - 8 veranschaulichen Filtereinheiten.

Es wird darauf hingewiesen, dass nicht alle Zeichnungen alle Bezugszeichen aufweisen. Stattdessen wurden in einigen Zeichnungen einige der Bezugszeichen aus Platzgründen und der Einfachheit der Darstellung halber weggelassen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen ein Verfahren zur Herstellung einer fluidischen Vorrichtung. Die fluidische Vorrichtung kann insbesondere für die Verwendung in der Flüssigkeitschromatografie (LC) und der Hochleistungs-Flüssigkeitschromatografie (HPLC) konfiguriert werden.
In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer fluidischen Vorrichtung, auch als Herstellungsverfahren bezeichnet. Ganz allgemein umfasst das Verfahren zur Herstellung einer fluidischen Vorrichtung das Durchführen eines Strukturierungsprozesses in einem Substrat und damit das Modifizieren einer Ätzrate eines Anteils des Substrats und nachfolgendes Ätzen des Substrats.
Es wird nun Bezug genommen auf 1A, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In einem ersten Schritt 10 des Herstellungsverfahrens wird ein Strukturierungsprozess auf ein Substrat angewandt. Ganz allgemein kann ein Strukturierungsprozess ein Prozess sein, der eine oder mehrere Eigenschaften des Substrats lokal modifiziert, z. B. optische Eigenschaften wie den Brechungsindex oder chemische Eigenschaften wie die Ätzrate. Bei diesem Herstellungsverfahren kann der Strukturierungsprozess zumindest die Ätzrate eines Abschnitts des Substrats modifizieren. Es versteht sich, dass der Schritt des Anwendens eines Strukturierungsprozesses 10 in einigen Ausführungsformen eine Mehrzahl von Teilschritten umfassen kann, während er in anderen Ausführungsformen nur einen Teilschritt umfassen kann.
Bei einigen Ausführungsformen kann ein einziger Schritt des Strukturierungsprozesses die chemischen Bindungen modifizieren, um die Struktur des Substrats lokal für einen bestimmten chemischen Wirkstoff empfänglich zu machen, z. B. durch Anwendung hochenergetischer Laserpulse.
In anderen Ausführungsformen können jedoch verschiedene Teilschritte verwendet werden, um die Struktur des Substrats lokal für einen bestimmten chemischen Wirkstoff empfänglich zu machen, z. B. kann der Schritt auch einen Teilschritt einer thermischen Behandlung, wie Erwärmung oder Abkühlung des Substrats, umfassen.
Ein Strukturierungsprozess modifiziert das Substrat vorzugsweise nur in einem sehr kleinen Bereich oder Volumen und ohne Beeinträchtigung des restlichen Substrats, z. B. ohne Risse im Substrat zu erzeugen.
In einigen Ausführungsformen kann der Strukturierungsprozess ein In-Volumen-Strukturierungsprozess sein, d. h. der Prozess kann Mittel zur lokalen Modifizierung des Substrats in einem Volumen an einem beliebigen Punkt innerhalb des Substrats bereitstellen. Mit anderen Worten kann ein In-Volumen-Strukturierungsprozess Mittel zum Modifizieren der Oberfläche eines Substrats bereitstellen, aber er kann ferner Mittel zum Modifizieren eines Volumens innerhalb des Substrats bereitstellen, das sich nicht an einer Oberfläche des Substrats befindet, d. h. ohne die Oberfläche des Substrats zu modifizieren. Vorzugsweise kann der In-Volumen-Strukturierungsprozess eine Strukturierung des Substrats in allen drei Dimensionen, d. h. in jeder beliebigen Raumrichtung, ermöglichen.
Der Fachmann wird verstehen, dass bei der In-Volumen-Strukturierung verschiedene Abschnitte des modifizierten Substrats kontinuierlich miteinander verbunden werden können und dass mindestens ein Abschnitt der Oberfläche des Substrats modifiziert wird. Somit kann eine Flüssigkeit durch die fluidische Vorrichtung fließen. Ferner kann dies auch ein effizientes Ätzen des modifizierten Materials ermöglichen, da z. B. eine Ätzlösung erforderlich ist, um die Abschnitte des modifizierten Materials zu erreichen.
Ferner kann der Strukturierungsprozess optisch induziert werden, vorzugsweise durch die Anwendung von Laserlicht, bevorzugter gepulstem Laserlicht. Das heißt, dass der Strukturierungsprozess durch Laserlicht induziert werden kann. Die dreidimensionale In-Volumen-Strukturierung kann dann durch Verschieben des Brennflecks und/oder des zu strukturierenden Substrats realisiert werden.
In einem zweiten Schritt 20 kann das Substrat geätzt werden. Typischerweise kann der Strukturierungsprozess die Ätzrate des Substrats lokal so erhöhen, dass die Ätzrate im Vergleich zu den unstrukturierten Abschnitten des Substrats ein Verhältnis von 10:1, bevorzugt 100:1, bevorzugter 1000:1, überschreiten kann. Bei einigen Substraten kann er z. B. Ätzverhältnisse von 10000:1 und höher erreichen.
Das Ätzen kann typischerweise ein Nassätzprozess sein, z. B. mit Flusssäure. Aufgrund der modifizierten Ätzrate können vor allem die strukturierten Abschnitte des Substrats geätzt werden, während unstrukturierte Abschnitte unter Umständen nur in vergleichsweise geringem Umfang geätzt werden können. Daher kann ein höheres Verhältnis der Ätzraten bevorzugt werden, da die Proportionen der Merkmale, die innerhalb des Substrats geätzt werden können, durch unterschiedliche Ätzraten begrenzt werden.
In einigen Ausführungsformen kann das Herstellungsverfahren einen Schritt des Polierens 30, wie in 1 B dargestellt, umfassen. In einigen Fällen ist die Oberflächenrauigkeit des geätzten Substrats unter Umständen ganz oder teilweise nicht niedrig genug für den gewünschten Zweck, z. B. kann eine raue Oberfläche den Strömungswiderstand einer fluidischen Komponente erhöhen, als unerwünschte Oberflächenfalle für zu messende Analyten wirken oder eine optische Eigenschaft einschränken.
Der Schritt des Polierens 30 kann Laserpolieren von mindestens einem Teil der fluidischen Vorrichtung umfassen. Zum Beispiel durch den Einsatz eines CO₂-Lasers, der die Materialoberfläche durch Absorption so erwärmen kann, dass die Viskosität des Substratmaterials verändert und die Oberfläche aufgrund der Oberflächenspannung geglättet wird. Mit anderen Worten kann sich das zu polierende Volumen stark erhitzen (z. B. durch Oberflächenabsorption eines CO₂-Lasers) und seine Viskosität kann reduziert werden. Die Oberflächenspannung des Materials kann dann zu einem Abfließen des Materials im Bereich der reduzierten Viskosität und damit zu einer Glättung der Oberfläche führen.
In einigen Ausführungsformen kann der Schritt des Polierens 30 einen zusätzlichen Schritt des Ätzens, z. B. mit einer unterschiedlichen Konzentration und/oder Ätzlösung, umfassen.
Alternativ oder zusätzlich kann der Schritt des Polierens 30 mechanisches Feinpolieren mindestens eines Teils der fluidischen Vorrichtung umfassen. Dies kann zum Beispiel auf der Verwendung einer magnetorheologischen fluidbasierten Politur basieren. Das heißt, es wird ein Fluid verwendet, dessen Eigenschaften (z. B. Viskosität, Form) mindestens teilweise durch ein Magnetfeld gesteuert und manipuliert werden können.
Generell kann das Verfahren gegenüber den typischerweise eingesetzten Fertigungsprozessen, die hinsichtlich der realisierbaren Geometrien Einschränkungen unterliegen können, vorteilhaft sein. Beispielsweise kann das Längen-/DurchmesserVerhältnis deutlich weniger begrenzt sein und es sind auch toroidale Formen („Bohren um die Kurve“) und Hinterschnitt-Geometrien möglich. Daher darf das vorliegende Verfahren keine Kompromisse hinsichtlich der Leistungsmerkmale (z. B. Dispersion durch Totvolumen der Messzelle oder schlechte Durchmischung bei gleicher Mischlänge) und dem Strömungsdesign erfordern.
In einigen anderen Ausführungsformen kann sich die vorliegende Erfindung auf eine fluidische Vorrichtung beziehen, die durch das vorstehend beschriebene Herstellungsverfahren erhalten werden kann. Eine derartige fluidische Vorrichtung kann insbesondere ein Design für eine Verwendung in Chromatografieanwendungen, wie LC oder HPLC, aufweisen.
Eine typische, aus dem Stand der Technik bekannte Messzelle 50 ist in 2 dargestellt. Eine derartige Messzelle 50 umfasst in der Regel eine mehrteilige Baugruppe aus verschiedenen Komponenten, darunter die eigentliche Messkammer 52, optische Fenster 55, Dichtungen 56, Ein- und Auslässe 53 für die zu untersuchenden Proben und Verbindungselemente 54. Es versteht sich, dass hier nur einer der Ein- und Auslässe 53 als Fluidkanal 53 dargestellt ist.
Die Messkammer 52 ist optisch durch die Fenster 55 zugänglich, wie durch den großen Pfeil angegeben. So können Eigenschaften eines durch die Messkammer 52 fließenden Fluids mit Hilfe eines optischen Detektionsverfahrens, z. B. Absorption, Fluoreszenz, Brechungsindex oder Raman-Streuung, erfasst werden.
Die Geometrie der Messkammer 52 und die Form der Fluidkanäle 53 sind jedoch in der Regel durch die typischerweise verwendeten Herstellungsprozesse (Drehen, Fräsen, Erodieren, Vordrücken oder Laserschneiden) begrenzt. Außerdem besteht die Messzelle 50 aus einer Mehrzahl von Einzelteilen, d. h. die Messzelle 50 ist eine Baugruppe aus einer Mehrzahl von Teilen. Dies kann nachteilig sein, da es z. B. die Druckfestigkeit verringern und/oder die Wahrscheinlichkeit von Undichtigkeit erhöhen kann.
Unter Bezugnahme auf 3 A ist ein Ausführungsbeispiel einer fluidischen Vorrichtung 100, das eine Messzelle umfasst, bereitgestellt. Die fluidische Vorrichtung 100 kann aus einem einzigen, monolithischen Substrat 160 hergestellt werden. Im Folgenden kann die fluidische Vorrichtung 100 auch einfach als Vorrichtung 100 bezeichnet werden.
In der in 3 A dargestellten Ausführungsform umfasst die fluidische Vorrichtung 100 eine Messkammer 110, in der mindestens eine Eigenschaft eines Fluids, z. B. Absorption, Fluoreszenz usw., bestimmt werden kann. Ferner verfügt die fluidische Vorrichtung 100 über einen optischen Zugang 120 zur Messkammer (durch den Pfeil angegeben). Ein derartiger optischer Zugang 120 kann einfach durch Verwendung eines freien Wegs innerhalb eines durchlässigen Substrats bereitgestellt werden. In einigen Ausführungsformen kann er ferner optische Elemente wie Fenster, Linsen oder Wellenleiter enthalten. Insbesondere diese optischen Elemente können in einigen Ausführungsformen im Polierschritt 30 wie vorstehend beschrieben poliert werden.
Das Fluid kann der Messkammer 110 durch einen Messkammereinlass 111 zugeführt werden, der mit einem vorgelagerten Fluidkanal 130 (d. h. rechts in 3 A) der Messkammer 110 verbunden sein kann. Der Fluidkanal 130 kann ferner mit einem Anschlussabschnitt 140 verbunden sein, der zur Aufnahme eines fluidischen Steckverbinders, einer Kapillare oder eines Fittings konfiguriert ist und sich am anderen Ende des Fluidkanals 130, d. h. am vorgelagerten Ende, befindet. Das heißt, ein Fluid kann durch eine Kapillare, einen fluidischen Steckverbinder oder ein Fitting, das mit dem Anschlussabschnitt 140 verbunden ist, zugeführt werden, von wo aus es durch den Fluidkanal 130 und den Messkammereinlass 111 in die Messkammer 110 fließen kann.
Es versteht sich, dass eine Kapillare mit dem Anschlussabschnitt 140 leckagefrei verbunden werden kann, z. B. durch (Laser-)Schweißen, Schrumpfen, Bonden oder Kleben.
Ferner kann das Fluid die Messkammer 110 durch einen zweiten, der Messkammer 110 nachgelagerten Fluidkanal 130 (d. h. links in 3 A) verlassen, der über einen Messkammerauslass 112 mit der Messkammer 110 verbunden ist. Der Fluidkanal 130 kann ferner mit einem Anschlussabschnitt 140 mit dem anderen Ende, d. h. dem nachgelagerten Ende, verbunden werden. Mit anderen Worten kann eine Flüssigkeit in der Messkammer 110 durch den Messkammerauslass 112 in den Fluidkanal 130 und weiter durch den Anschlussabschnitt 140 in eine Kapillare, einen fluidischen Steckverbinder oder ein mit der fluidischen Verbindung 140 verbundenes Fitting fließen.
Vorzugsweise kann ein fluidischer Standard-Steckverbinder, z. B. ein VIPER-Fitting (ThermoFisher Scientific), mit dem unter Umständen speziell dafür konfigurierten Anschlussabschnitt 140 (mit Laser) verschweißt oder verbunden werden. Dies kann von Vorteil sein, da es eine einfache und zuverlässige Möglichkeit zum Verbinden der Vorrichtung mit anderen Komponenten und/oder Vorrichtungen ermöglicht.
3b zeigt einen Querschnitt eines Abschnitts der in 3a dargestellten fluidischen Vorrichtung, wobei die Messkammer 110 und der nachgeschaltete Anschlussabschnitt 140 mit einer eingesetzten Kapillare 235 dargestellt sind. Die Kapillare 235 (schwarz dargestellt) kann durch eine Öffnung 135 von der sich zum Anschlussabschnitt 140 hin verjüngenden Oberfläche aus z. B. kontinuierlich oder schrittweise eingesetzt werden. Es versteht sich, dass die Öffnung 135, der Verbindungsabschnitt, der Fluidkanal 130 und die Messkammer 110 Abschnitte sind, in denen das Material vom Substrat entfernt wurde (d. h. Freiräume des Substrats), und dass die Öffnung 135 seitlich, d. h. zu einer Oberfläche, insbesondere zu der in 3b dargestellten oberen Oberfläche, mündet. Der Anschlussabschnitt ist mit der Messkammer 110 fluidisch verbunden, z. B. der Messkammerauslass 112 über einen Fluidkanal 130. Auch hier kann die Kapillare 235 mit dem Anschlussabschnitt 140 leckagefrei verbunden werden, z. B. durch (Laser-)Schweißen, Schrumpfen, Bonden oder Kleben.
Das heißt, von der Oberseite erleichtert eine sich allmählich verjüngende Öffnung oder Bohrung 135 das Einsetzen der Kapillare 2356 in das eigentliche Verbindungselement 140, und ein dünner Kanal 130 führt zur Messkammer 110. Es versteht sich jedoch, dass dies nur eine von vielen denkbaren Realisierungen eines Verbindungselementes ist.
Im Allgemeinen ist immer, wenn von einem Fluid gesprochen wird, eine Flüssigkeit und/oder ein Gas gemeint. Das heißt, ein Fluid kann eine Flüssigkeit und/oder ein Gas sein. Der Einfachheit halber kann manchmal nur von einer Flüssigkeit gesprochen werden. Dem Fachmann wird jedoch klar sein, dass in diesen Fällen auch ein Gas gemeint sein kann.
Wenn eine derartige fluidische Vorrichtung 100, die eine Messzelle umfasst, in einem Detektor platziert ist, kann sie mit einem Probenfluid versorgt werden, um eine Eigenschaft des Probenfluids, z. B. Absorption oder Fluoreszenz, zu bestimmen. Dies kann die Detektierung von Substanzen und deren mögliche Quantifizierung ermöglichen.
Die Vorrichtung 100 kann ferner mindestens eine Ausrichtungsstruktur 150 umfassen, die dazu konfiguriert ist, das Ausrichten der fluidischen Vorrichtung 100, z. B. innerhalb eines Detektors, zu unterstützen. Eine derartige Ausrichtungsstruktur 150 kann eine hochpräzise integrierte Struktur sein, zum Beispiel eine Passbohrung, eine Kerbe, eine Nut oder eine optische Ausrichtungsmarke. Dadurch kann eine zuverlässige, präzise und einfache Positionierung der Messkammer 110 in einem Instrument und insbesondere in einem optischen Strahlengang gewährleistet werden.
Mit anderen Worten zeigt 3 A ein Modell einer möglichen Umsetzung der Erfindung. Alle benötigten Elemente einer Messzelle können in einem durchlässigen Substrat strukturiert werden. Das Messkammervolumen 110, die Fluidkanäle 130 und die Anschlussabschnitte 140 (z. B. Verbindungselemente) können für die physikalischen Anforderungen ohne die in Herstellungsprozessen üblichen Nachteile optimiert werden.
Eine nach dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung hergestellte Messzelle kann daher gewisse Vorteile aufweisen: Die Dispersion innerhalb der Messzelle kann minimiert werden, insbesondere kann das Fluidvolumen im Ein- und Auslass und damit das Tot- und Verzögerungsvolumen minimiert werden. Ferner kann die Messzellengeometrie hinsichtlich Absorptionslänge und -Volumen frei optimiert werden. Dadurch kann das Totvolumen der Messzelle und insbesondere das Totvolumen von Ein- und Auslass minimiert werden. Eine derartige Messeinheit kann auch hochdruckfest sein, d. h. sie kann für Drücke von mindestens 50 bar, bevorzugt für Drücke von mindestens 500 bar, bevorzugter für Drücke von mindestens 1000 bar und noch bevorzugter für 1500 bar ausgelegt sein. Dies kann z. B. durch sorgfältige Auswahl der Wandstärke der fluidischen Vorrichtung realisiert werden und kann auch durch das monolithische Design begünstigt werden.
4 zeigt eine fluidische Vorrichtung 100, die eine Messzelle umfasst, die in einen Absorptionsdetektor 200 eingebaut ist. Mit anderen Worten zeigt 4 ein System, das die fluidische Vorrichtung 100 umfasst. Die Ausrichtungsstrukturen 150 dienen zur präzisen Positionierung der Messkammer 110 zwischen einer Lichtquelle 210 und einem Detektionselement 220. Die hochpräzise Positionierung im optischen Strahlengang wird durch Verwendung einer Kombination von Positionierelementen 240 erreicht, die in die Passbohrungen passen, die in der abgebildeten Ausführungsform als Ausrichtungsstrukturen 150 fungieren.
Die fluidische Vorrichtung 100 kann durchlässig sein, um eine optische Messung zu ermöglichen. Insbesondere kann das Substrat 160 ein Glas, z. B. Quarzglas, oder ein Kristall, z. B. Saphir, sein. Dies kann aufgrund der uneingeschränkten Biokompatibilität und der hervorragenden chemischen Beständigkeit von Vorteil sein. Ferner können sie auch gute Transmissionseigenschaften umfassen, zum Beispiel auch im tiefen UV-Bereich unterhalb von Wellenlängen von 200 nm oder weniger. Die monolithische, d. h. einteilige Struktur der fluidischen Vorrichtung 100 ohne zusätzliche Dichtungen kann auch weniger fehleranfällig sein und kann für das präzise Positionieren, z. B. innerhalb eines optischen Strahlenganges, unter Verwendung geeigneter integrierter Strukturen, wie z. B. einer Ausrichtungsstruktur 150, vorteilhaft sein.
Ferner sind an die Anschlussabschnitte 140 der Vorrichtung 100 fluidische Steckverbinder 230 angeschlossen. Ein derartiges Detektorsystem 200 kann z. B. zur Messung der Absorption eines Fluids verwendet werden, was mindestens eines der verschiedenen Bestandteile und/oder die Menge eines oder mehrerer verschiedener Bestandteile des Fluids ergeben kann.
Es versteht sich, dass die fluidische Vorrichtung 100 z. B. eine Vorrichtung sein kann, wie sie in den 3a und 3b dargestellt ist, und dass insbesondere die veranschaulichten Komponenten zumindest teilweise oder vollständig innerhalb des Substrats der fluidischen Vorrichtung liegen können. Zur Veranschaulichung und insbesondere der Übersichtlichkeit halber sind die Elemente innerhalb der fluidischen Vorrichtung in 4 als durchgezogene Linien gezeichnet. Elemente wie die abgebildete Messkammer, Fluidkanäle, Anschlussabschnitte und Abschnitte der abgebildeten Kapillaren, die Teil der fluidischen Steckverbinder 230 sein können, liegen jedoch typischerweise innerhalb des Substrats der abgebildeten fluidischen Vorrichtung. Das heißt, sie sind von Abschnitten des Substrats umgeben.
In einigen Ausführungsformen kann das fluidische System ferner eine Vorrichtungs-Stützkonstruktion umfassen, die so konfiguriert sein kann, dass sie die fluidische Vorrichtung so stützt, dass sie Drücken bis zu mindestens 500 bar, wie z. B. 1000 bar, vorzugsweise bis zu mindestens 1500 bar, standhält. Das heißt, eine Vorrichtungs-Stützkonstruktion kann z. B. so konfiguriert sein, dass sie einen Druck auf die Außenflächen ausübt, der durch Platzieren der Vorrichtung in einen Druckbehälter oder durch Verwenden externer mechanischer Teile, die so konfiguriert sind, dass sie den Druck von außen ausüben, erzeugt werden kann.
Eine derartige Vorrichtungs-Stützkonstruktion kann vorteilhaft sein, da Glas durch Zugspannung leicht zerbrechen kann. Sie kann jedoch typischerweise einem hohen Maß an Kompressionsdruck standhalten. Das heißt, wenn das Fluid innerhalb der fluidischen Vorrichtung mit Druck beaufschlagt wird, kann die Zugspannung durch Anlegen von Druck von außen reduziert werden. Es wird darauf hingewiesen, dass der Außendruck auch dann vorhanden sein kann, wenn innerhalb der fluidischen Vorrichtung kein Druck herrscht.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Mischeinheit innerhalb der fluidischen Vorrichtung 100 realisiert werden. Eine Mischeinheit kann mindestens eine Mischstruktur umfassen, d. h. eine Struktur, deren Design die Diffusionsprozesse innerhalb eines Flüssigkeitsgemischs fördern soll. Ferner kann sie mindestens einen Mischereinlass zum Aufnehmen einer Flüssigkeit oder eines Flüssigkeitsgemisches und einen Mischerauslass zur Bereitstellung des Gemisches nach Durchglühen der Mischstruktur umfassen.
5 zeigt schematisch einige beispielhafte Mischeinheiten 170. Eine Grundmischeinheit 170 kann durch Kombinieren von zwei Mischereinlässen 172 und einem Mischerauslass 173 mittels einer Y-Verbindung, wie in 5 a) dargestellt, realisiert werden. Ein derartiger Aufbau kann auch mit mehr als zwei Einlässen 172, wie in 5 b) dargestellt, realisiert sein, wobei eine Mehrzahl von Einlässen 172 zu einem Auslass 173 zusammengefasst sind. Das Mischen der Fluide kann durch Diffusionsprozesse innerhalb des Fluidkanals, der die kombinierten Fluide umfasst, erreicht werden. Während die Mischleistung derartiger Mischstrukturen 171 zumindest begrenzt sein kann, kann sie aber durch Einbinden komplexerer Mischstrukturen 171, wie sie z. B. in 5 c) dargestellt sind, verbessert werden. Eine derartige Mischstruktur 171 kann z. B. einen Zickzack-Kanal, eine 3D-Serpentine, einen „Herringbone“, sich kreuzende Kanäle oder eingebettete Barrieren umfassen. Ferner können komplexere fluidische Mischkonzepte realisiert werden, wie z. B. der Einsatz von Multilaminierung, bei der die Mischfläche erheblich vergrößert werden kann, oder auch das Mischen durch Strömungsfokussieren. Auch hier kann eine fluidische Vorrichtung, die einen derartigen Mischer umfasst, nach dem vorstehend beschriebenen Herstellungsprozess hergestellt werden.
Innerhalb einer fluidischen Vorrichtung können der mindestens eine Einlass 172 und Auslass 173 mit anderen Strukturen, z. B. Fluidkanälen von Anschlussabschnitten, verbunden werden.
Das heißt, dass 5 die schematische Darstellung verschiedener Mischer zeigt, die ähnlich wie die Messzelle in 3 A realisiert werden können. Einerseits können einfache Y-Mischer, wie in 5 a) dargestellt, und Mischer für eine große Anzahl von Einlassskanälen (5 b)) realisiert werden. Andererseits können neben den klassischen Mischkonzepten (5 c)) auch Strukturen zur Umsetzung der anspruchsvolleren mikrofluidischen Mischkonzepte (z. B. nach dem Multilaminierungsprinzip oder durch Strömungsfokussierung) generiert werden, wie in 5 d) angegeben.
Eine nach dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung hergestellte Mischeinheit 170 kann daher gewisse Vorteile aufweisen: Die Mischeinheit ist hinsichtlich der Mischerlänge und des Mischvolumens sowie des Mischprinzips frei optimierbar, d. h. die möglichen Geometrien sind nicht durch den Herstellungsprozess begrenzt. Dadurch kann das Totvolumen des Mischers und insbesondere das Totvolumen von Ein- und Auslass minimiert werden. So kann ein effektives Mischen von zwei oder mehr Fluiden bei minimalem Fluidvolumen der Mischeinheit 170 ermöglicht werden. Eine derartige Mischeinheit 170 kann auch hochdruckfest sein, d. h. sie kann für Drücke bis mindestens 500 bar, bevorzugter bis mindestens 1000 bar, noch bevorzugter 1500 bar, konfiguriert sein. Die Hochdruckfestigkeit kann von der monolithischen Bauweise profitieren und kann z. B. durch eine sorgfältige Auswahl der Wandstärke der fluidischen Vorrichtung realisiert werden. Zusätzlich oder alternativ kann ein System, das eine Mischeinheit 170 umfasst, eine Vorrichtungs-Stützkonstruktion zum Anlegen eines externen Drucks wie vorstehend beschrieben umfassen.
Unter Bezugnahme auf 6a ist eine beispielhafte Filtereinheit 180 schematisch dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform verläuft die Strömungsrichtung von oben nach unten. Auch diese Filtereinheit 180 kann eine fluidische Vorrichtung sein, die nach dem vorstehend genannten Herstellungsprozess hergestellt wurde. So kann sie wiederum z. B. aus Glas oder Saphir geformt sein.
Die abgebildete Ausführungsform der Filtereinheit 180 umfasst drei Filterstufen 1811, 1812, 1813. Das heißt, eine Flüssigkeit, die durch die Filtereinheit 180 fließt, kann zunächst durch die erste Filterstufe 1811, dann durch die zweite Filterstufe 1812 und schließlich durch die dritte Filterstufe 1813 fließen. Jede Filterstufe kann eine Mehrzahl von Poren 182 mit einer Porengröße P umfassen, wobei die erste Filterstufe 1811 eine Porengröße P1 umfasst, die zweite Filterstufe 1812 eine Porengröße P2 umfasst und die dritte Filterstufe eine Porengröße P3 umfasst.
Während des Betriebs der Filtereinheit 180 kann eine Flüssigkeit durch die Poren 182 der Filterstufen 1811, 1812, 1813 fließen und Partikel, die größer als die jeweilige Porengröße P1, P2, P3 sind, können nicht durch die Poren fließen, d. h. diese Partikel können aus dem Flüssigkeitsstrom, der durch die Filtereinheit 180 fließt, herausgefiltert werden.
Die Porengrößen P1, P2, P3 können für jede Filterstufe 1811, 1812, 1813 unterschiedlich sein. Das heißt, jede Filterstufe 1811, 1812, 1813 kann Poren mit einer Porengröße P umfassen, die sich von der Porengröße der anderen Filterstufen unterscheidet. Generell kann es zu bevorzugen sein, dass die Porengröße P mit der Strömungsrichtung abnimmt. Das heißt, die erste Stufe 1811 kann die Poren 182 mit der größten Porengröße P1 umfassen und die Porengröße P kann mit jeder Filterstufe 1812, 1813 abnehmen, sodass die letzte Stufe 1813 die Poren 182 mit der kleinsten Porengröße P3 umfassen kann. Mit anderen Worten gilt in der dargestellten Ausführungsform: P1 > P2 > P3.
Ferner können die Filterstufen 1812, 1813 von der vorhergehenden Filterstufe 1811, 1812 um einen Abstand A getrennt sein, wobei A größer ist als die Porengröße P der entsprechenden Filterstufe. Das heißt, der Abstand A1 zwischen der zweiten Filterstufe 1812 und der vorhergehenden (ersten) Filterstufe 1811 ist größer als die Porengröße P2 der zweiten Filterstufe 1812, analog ist der Abstand A2 zwischen der dritten Filterstufe 1813 und der vorhergehenden (zweiten) Filterstufe 1812 größer als die Porengröße P3 der dritten Filterstufe 1813. Dies kann vorteilhaft sein, da es ein Blockieren des nachgelagerten Endes der Poren 182 verhindern kann. Mit anderen Worten würde ein Partikel, der kleiner als P1, aber größer als P2 ist, das Ende einer Pore 182 in der ersten Filterstufe 1811 blockieren, wenn A1 kleiner als P1 ist.
Die Filtereinheit 180 kann ferner eine oder mehrere Stützkonstruktionen 183 umfassen, die der Filtereinheit 180 mechanische Stabilität verleihen können. Diese Stützkonstruktionen 183 können z. B. in Strömungsrichtung ohne Unterbrechung durch die Filtereinheit verlaufen, wie in 6a dargestellt.
In einigen Ausführungsformen kann die Filtereinheit 180 ferner eine Mehrzahl von getrennten Filtereinsätzen 184 umfassen, die im Substrat 160 nicht fluidisch miteinander verbunden sind. Das heißt, die Filtereinsätze 184 können quer zur Strömungsrichtung und innerhalb eines einzigen Substrats 160 nebeneinander angeordnet sei. So können z. B. Teilabschnitte durch die Stützkonstruktionen 183 getrennt sein.
Die Filtereinsätze 184 können jeweils ein identisches Design aufweisen, d. h. die Filtereinsätze 184 können jeweils die gleiche Anzahl von Filterstufen 1811, 1812, 1813 mit der gleichen Anzahl von Poren 182 mit den gleichen Porengrößen P1, P2, P3 und den gleichen Abständen A1, A2 zwischen den Filterstufen 1811, 1812, 1813 umfassen.
Mit anderen Worten zeigt 6a einen schematischen Querschnitt einer möglichen Umsetzung der Erfindung. P1, P2 und P3 sind Porengrößen und A1 und A2 sind Abstände zwischen den einzelnen Filterstufen. In der dargestellten Ausführungsform ist A1 größer als P2 und A2 größer als P3, sonst könnten Partikel, die kleiner als P1, aber größer als P2 sind, die Enden der P1-Poren verstopfen (dasselbe gilt für P2 und P3). Zur Gewährleistung der mechanischen Stabilität können z. B. Stützkonstruktionen verwendet werden, die auch während des Herstellungsprozesses erzeugt werden können.
Allgemein versteht sich, dass 6a eine Querschnittsansicht der Filtereinheit 180 zeigt, wobei der Querschnitt entlang einer Ebene parallel zur Strömungsrichtung verläuft. In 6b ist ein entsprechender Querschnitt entlang der Ebene Vb-Vb in 6a dargestellt. Mit anderen Worten zeigt 6b einen Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung. Es versteht sich auch, dass 6a einem Querschnitt entlang der Ebene Va-Va in 6b entspricht.
Im Allgemeinen umfasst die Filtereinheit 180 (und insbesondere jede Filterstufe) eine Mehrzahl von Wänden 181, von denen nur einige der einfacheren Darstellung halber mit einer Bezugszahl versehen sind. 6b stellt zwei Gruppen von Wänden 181 dar. Die Wände 181 in jeder Gruppe sind parallel zueinander angeordnet, die Wände 181 verschiedener Gruppen stehen rechtwinklig zueinander. Es versteht sich, dass in der Querschnittsansicht von 6a nur eine Gruppe der Wände dargestellt ist, da die Querschnittsebene dieser Figur parallel zu den Wänden der anderen Gruppe verläuft. Die Wände 181 definieren die Poren 185. Auch hier sind der Einfachheit halber nur einige dieser Poren 185 mit einer Bezugszahl gekennzeichnet.
In der in 6b dargestellten Ausführungsform ist nur eine Poren-„Reihe“ dargestellt, d. h. eine Gruppe von Wänden 181 umfasst nur zwei Wände 181 (d. h. die in 6b oben und unten dargestellten Wände). Es versteht sich jedoch, dass dies nur beispielhaft ist und dass es auch möglich ist, dass die Filtereinheit 170 eine Mehrzahl von Poren-„Reihen“ umfasst. Das heißt, in der in 6b dargestellten Ausführungsform kann die Flüssigkeit gleichzeitig durch (15) Poren fließen, die in einer Linie angeordnet sind, also durch 1 x 15 Poren. Es ist aber auch möglich, dass nicht alle Poren, durch die die Flüssigkeit gleichzeitig fließen kann, auf einer Linie liegen. Stattdessen könnten sie in n Reihen liegen, wobei n > 1.
In der abgebildeten Ausführungsform sind die Poren 185 kastenförmig. Es versteht sich jedoch, dass sie auch eine andere Form aufweisen können, wie z. B. rund, sechseckig oder polyedrisch. Insbesondere können die Poren, wenn sie in einem Querschnitt orthogonal zur Strömungsrichtung betrachtet werden (siehe 6b), eine rechteckige (und insbesondere quadratische) Form aufweisen, und wenn die Poren in einem Querschnitt parallel zur Strömungsrichtung betrachtet werden (siehe 6a), können sie eine rechteckige Form aufweisen.
Wie in 6b dargestellt, wird davon ausgegangen, dass die Pore 185 eine Ausdehnungsfläche orthogonal zur Strömungsrichtung aufweisen kann. In der dargestellten Ausführungsform (bei der die Pore im Querschnitt orthogonal zur Strömungsrichtung quadratisch ist) kann die Ausdehnungsfläche (P1)² sein, wobei P1 die Länge der Seiten des Quadrats ist.
Man kann also eine eindimensionale Porengröße als die Quadratwurzel der Ausdehnungsfläche definieren, die auch einfach als Porengröße bezeichnet werden kann. In der dargestellten Ausführungsform (bei der die Poren eine quadratische Form aufweisen) ist die Porengröße gleich P1.
Es versteht sich jedoch, dass die Definition der Porengröße als Quadratwurzel der Ausdehnungsfläche immer (d. h. unabhängig von der Form der Pore) ein eindimensionales Maß für die Filterfeinheit ergibt.
Auch hier versteht sich hinsichtlich 6a, dass für die Porengrößen P2 und P3 der anderen Stufen der Filtereinheit 180 entsprechende Überlegungen gelten. Sie sind wiederum als Quadratwurzel der Ausdehnungsfläche der jeweiligen Filterporen definiert.
In Ausführungsformen der vorliegenden Technologie können die Porengrößen benachbarter Stufen voneinander verschieden sein und ein Quotient zwischen beiden kann größer als 1,2, vorzugsweise 1,4, wie z. B. größer als 1,6 sein. In einigen Ausführungsformen kann ein Quotient zwischen den beiden auch größer als 5 oder sogar 10 sein.
Die in 6 dargestellte Filtereinheit 180 kann in einen Flüssigkeitsströmungsweg eingesetzt werden, um die Flüssigkeit, z. B. in einem HPLC-System, zu filtern. Insbesondere kann sie so eingesetzt werden, dass benachbarte Stützkonstruktionen 183 auf einen den Strömungsweg definierenden Rohrabschnitt ausgerichtet und gegen diesen abgedichtet werden (siehe dazu auch 7). So befindet sich der zwischen diesen benachbarten Stützkonstruktionen 183 definierte Filtereinsatz 184 im Strömungsweg und filtert die durch diesen Strömungsweg fließende Flüssigkeit, während die anderen Filtereinsätze 184 in dieser Konfiguration nicht verwendet werden.
Es versteht sich, dass eine fluidische Vorrichtung 100, die eine Filtereinheit umfasst, weitere Komponenten wie fluidische Strukturen, z. B. einen Fluidkanal, eine Messkammer und/oder eine Mischstruktur, oder einen Anschlussabschnitt 140, der zur Aufnahme z. B. eines fluidischen Steckverbinders, einer Kapillare oder eines Fittings konfiguriert ist, umfassen kann. D. h. eine Filtereinheit kann z. B. in eine fluidische Vorrichtung integriert sein, ähnlich der Messzelle in der in 3a dargestellten fluidischen Vorrichtung.
Nun wird auf 7 verwiesen. Die in 7 dargestellte Ausführungsform entspricht weitestgehend der in den 6a und 6b dargestellten und in Verbindung damit behandelten Ausführungsform. Die Filtereinsätze 184A, 184B, 184C in 7 können jedoch unterschiedliche Filterkennlinien umfassen, die z. B. durch eine unterschiedliche Anzahl von Filterstufen 1811, 1812, 1813 und/oder unterschiedliche Porengrößen P1, P2, P3 erreicht werden können.
In 7 sind ferner die fluidischen Verbindungen 302 auf jeder Seite der Filtereinheit 180 dargestellt, genauer gesagt die fluidischen Verbindungen 302, die mit dem ersten Filtereinsatz 184A verbunden sind (wobei sich versteht, dass sie auch in Verbindung mit der in den 6a und 6b dargestellten Ausführungsform verwendet werden können). Diese fluidischen Verbindungen können z. B. Kapillaren 302 (d. h. Schläuche mit relativ kleinem Innendurchmesser) sein. Die fluidischen Verbindungen 302 können mit der Filtereinheit 180, die in der fluidischen Vorrichtung 100 enthalten ist, fluidisch verbunden sein, wobei Abdichtverfahren verwendet werden, die eine leckagefreie Verbindung gewährleisten, z. B. durch Dichtelemente 304.
Die in 7 dargestellte Konfiguration kann eine In-situ-Modifizierung der Filtereigenschaften ermöglichen, indem die fluidische Vorrichtung 100, die die Filtereinheit 180 umfasst, in einer Richtung quer zur Strömungsrichtung bewegt wird. Die Strömungsrichtung wird durch die großen Pfeile innerhalb der fluidischen Verbindungen 302 angegeben und die Bewegung wird durch den Pfeil rechts von der Filtereinheit schematisch dargestellt.
Mit anderen Worten kann die Filtereinheit eine Mehrzahl von Filtereinsätzen umfassen, was eine In-situ-Modifizierung der Filtereigenschaften ermöglichen kann. Mit den Stützkonstruktionen können innerhalb eines flachen Filtersubstrats separate Stufenfiltereinsätze erzeugt werden. Durch die Flexibilität des Herstellungsprozesses können für jeden Teilabschnitt individuelle Filtereigenschaften realisiert werden.
Durch geeignete Abdichtverfahren und fluidische Verbindungen können die Filtereigenschaften durch horizontale Bewegung des Filtersubstrats in situ verändert werden. Das heißt, durch horizontale Bewegung des Substrats (quer zur Strömung) können die Filtereigenschaften während des Betriebs und insbesondere ohne Verändern der fluidischen Vorrichtung verändert werden.
Bezogen auf 8 kann die behandelte Filtereinheit 180, die identische Filtereinsätze 184 (wie in 6 dargestellt) oder unterschiedliche Filtereinsätze 184 (wie in 7 dargestellt), umfasst, einen grundsätzlich „endlosen“ Einsatz mit Rückspülung von mindestens einem Filtereinsatz ermöglichen. Das heißt, während des Betriebs kann ein Filtereinsatz zum Filtern einer Flüssigkeit, z. B. eines Eluenten, verwendet werden, während mindestens ein weiterer Filtereinsatz auf einen Gegenstrom, d. h. eine Strömung entgegen der Strömungsrichtung während der Filtration, ausgerichtet ist. Dies kann vorteilhaft sein, da der Rückstrom den entsprechenden Filtereinsatz von eventuell gefilterten Partikeln reinigen kann und somit einen kontinuierlichen Betrieb der Filtereinheit durch wiederholtes Umschalten zwischen den Filtereinheiten und Reinigen der im aktuellen Zustand nicht verwendeten Filtereinheiten ermöglicht.
Das in 8 dargestellte Ausführungsbeispiel umfasst identische (aber unter Umständen auch unterschiedliche) Filtereinsätze 184, wobei 1 Filtereinsatz zum Filtern einer Flüssigkeit verwendet wird, während die benachbarten Filtereinsätze durch Rückspülen des Filters gereinigt werden. Die Strömungsrichtung verläuft in 8 von oben nach unten, d. h. von größerer Porengröße zu kleinerer Porengröße. Durch Bewegen der die Filtereinheit 180 umfassenden fluidischen Vorrichtung 100 quer zur Strömungsrichtung kann der zum Filtern einer Flüssigkeit eingesetzte Filtereinsatz 184 zu einem gereinigten, d. h. rückgespülten, Filtereinsatz 184 verändert werden. Der gebrauchte Filtereinsatz 184 wird dann selbst gereinigt, d. h. rückgespült, wie durch die Pfeile angegeben wird, die entgegengesetzt zur Strömungsrichtung beim Filtern zeigen, d. h. in einer Richtung von kleineren Porengrößen zu großen Porengrößen. Auf diese Weise werden Partikel, die eventuell im Filter festsitzen, ausgespült und der Filter kann anschließend wieder zum Filtern einer Flüssigkeit eingesetzt werden.
So kann eine derartige Ausführungsform durch wiederholtes Umschalten zwischen verschiedenen Filtereinsätzen 184 mit gleichen Eigenschaften und Rückspülen von Filtereinsätzen nach dem Entfernen aus dem Flüssigkeitsstrom einen im wesentlichen kontinuierlichen Betrieb der Filtereinheit 180 ermöglichen. Der Flüssigkeitsstrom braucht unter Umständen nur während des Umschaltens von einem Filtereinsatz 184 auf einen anderen Filtereinsatz 184 unterbrochen werden, wobei die fluidische Vorrichtung bei Zusetzen eines Filtereinsatzes unter Umständen nicht gewechselt zu werden braucht. Dadurch können Standzeiten durch den Austausch der die Filtereinheit 180 umfassenden fluidischen Vorrichtung 100 vermieden oder zumindest deutlich reduziert werden.
Mit andern Worten können die Stützkonstruktionen dazu verwendet werden, innerhalb eines flachen Filtersubstrats separate Stufenfiltereinsätze zu erzeugen. Durch geeignete Abdichtverfahren und fluidische Verbindungen kann der gesamte Filter horizontal (d. h. quer zur Strömungsrichtung) bewegt werden. Durch eine geeignete Rückspülvorrichtung kann trotz des unvermeidlichen Aufbaus eines Filterkuchens eine Art Endlosbetrieb realisiert werden.
Allgemein versteht sich, dass die Porengrößen P1, P2, P3 der behandelten Filtereinheiten 180 in einem Bereich von 1 µm bis 300 µm, bevorzugter 1 µm bis 50 µm, liegen können.
Zudem können die Poren auf einer einzelnen Stufe 1811, 1812, 1813 eine enge Porengrößenverteilung aufweisen. Insbesondere können mindestens 90 % der Poren einer Stufe eine Porengröße in einem Bereich von 0,9 - P bis 1,1 · P aufweisen, wo die durchschnittliche Porengröße dieser Stufe bei P liegt.
Eine nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellte Filtereinheit 180 kann gewisse Vorteile aufweisen: Durch das freie Design können verschiedene Filter, wie z. B. Kuchenfilter und Querstromfilter, kombiniert werden und eine derartige Filtereinheit könnte auch mit anderen Komponenten aus dem gleichen Material (z. B. einem Kugelsitz in einem Ventil) kombiniert werden, d. h. sie kann eine mögliche Kombination von mehreren Funktionen in einem Teil ermöglichen. Ferner kann ein mehrstufiges Filterdesign oder die Platzierung von Filterreinigungsstrukturen die Filterleistung und Lebensdauer maximieren. Darüber hinaus ermöglicht der Herstellungsprozess das Ätzen von Poren mit einem Querschnitt, der viel kleiner ist als die Länge, und lässt insbesondere die Herstellung von Strukturen im µm-Bereich zu, und die präzise Herstellung kann bei einer neu hergestellten Vorrichtung geschlossene Poren verhindern.
Insgesamt kann dies einen geringen Wartungsbedarf bei Komponenten ermöglichen, deren Lebensdauer stark von der effizienten und hochselektiven Filterung von Feststoffpartikeln aus dem Flüssigkeitsstrom abhängig ist. Ferner können universelle Werkstoffe eingesetzt und hochintegrierte Systeme für maximale Zuverlässigkeit (z. B. hinsichtlich Dichtungskonzepten) realisiert werden.
Das heißt, dass sich die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen auf fluidische Vorrichtungen 100 beziehen, die z. B. eine Messzelle, eine Mischeinheit 170 und/oder eine Filtereinheit 180 umfassen können, und deren Verwendung in der HPLC. Die fluidische Vorrichtung 100 kann durch einen bestimmten Herstellungsprozess hergestellt werden. Insbesondere versteht sich, dass eine fluidische Vorrichtung 100 eine Kombination aus einer oder einer Mehrzahl von Messzelle(n), einer Mischeinheit 180 und/oder einer Filtereinheit 180 umfassen kann. Dies kann vorteilhaft sein, da es z. B. eine Funktionsüberwachung der Filtereinheit und/oder der Mischeinheit durch nachträgliche optische Detektion in der Messzelle oder zur Identifizierung, wenn das Rückspülen der Filtereinheit beendet ist, ermöglicht. Die optische Detektion kann in derartigen Fällen z. B. durch Partikel oder eine kontinuierliche Signaländerung aufgrund von mangelndem Mischen Peaks im Messsignal zeigen.
Mit anderen Worten betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren, das einen Strukturierungsprozess, beispielsweise unter Verwendung von optisch induzierter dreidimensionaler In-Volumen-Strukturierung, z. B. mit Hilfe eines Kurzpulslasers, und einen anschließenden Schritt des selektiven Ätzens zur Erzeugung beliebiger Strukturen in einem Substrat 160, z. B. Glas, Saphir und anderen durchlässigen Festkörpern, umfasst. Diese Strukturen können alle wesentlichen Funktionen einer (gewünschten) Komponente in einem monolithischen Block, d. h. einem einzigen monolithischen Substrat 160, ausbilden.
D. h. im Fall einer Messzelle können ein Messzellenkörper, optische Zugänge, Ausrichtungsstrukturen sowie fluidische Verbindungen durch entsprechende Strukturen realisiert werden. Im Fall eines Mischers können zusätzlich zu Fluidverbindungen Strukturen für die eigentliche Mischeinheit erzeugt werden.
In einigen Ausführungsformen kann die optische und/oder fluidische Qualität der Strukturen durch einen nachgelagerten Polierprozess, wie z. B. Laserpolieren, Ätzen, mechanisches Feinpolieren, soweit zugänglich (z. B. mit magnetorheostatischen Fluiden), sichergestellt werden. Darüber hinaus können Anschlüsse für Fittings, z. B. VIPER, und/oder Kapillaren durch entsprechende Anschlussabschnitte (z. B. Anschlusskonstruktionen) im monolithischen Block gewährleistet werden.
Die Herstellung der fluidischen Vorrichtung 100 aus einem monolithischen Substrat 160 kann vorteilhaft sein, da die Vorrichtung unter Umständen keine Dichtungselemente benötigt, insbesondere wenn fluidische Standard-Steckverbinder an die Anschlussabschnitte 140 geschweißt oder gebondet sind. Dies kann im Hinblick auf die Dichtigkeit und/oder Druckfestigkeit der Vorrichtung günstig sein. Das heißt, die einteilige Konstruktion kann alle Dichtungen und die damit verbundenen Probleme überflüssig machen und die fluidischen Verbindungen können möglichst einfach sein und z. B. über geschweißte Standardverbindungen (z. B. VIPER) hergestellt werden. Ferner kann die fluidische Vorrichtung (und damit die Messzelle und/oder Mischeinheit 170) vollständig biokompatibel und in einigen Ausführungsformen im Wesentlichen metallfrei sein. Darüber hinaus kann die fluidische Vorrichtung überwiegend (d. h. soweit möglich) chemisch inert sein, sodass die durch die fluidische Vorrichtung verursachten Einschränkungen für Eluenten und Proben minimal sein können.
Darüber hinaus kann das Substrat 160 der fluidischen Vorrichtung 100 durchlässig sein, was z. B. zur Realisierung einer Messzelle mit optischem Zugang 120 oder zum Bestimmen des Verunreinigungsgrades einer Filtereinheit von außerhalb der fluidischen Vorrichtung günstig sein kann. Das heißt, es kann einen einfachen optischen Zugang zu Komponenten und Elementen innerhalb der fluidischen Vorrichtung bereitstellen.
Die Herstellung einer fluidischen Vorrichtung 100 unter Verwendung des Herstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung kann ferner unter Umständen effizienter und weniger zeitaufwändig sein als eingeführte Herstellungsverfahren.
Mit anderen Worten kann das vorstehend beschriebene Verfahren zur Erzeugung einer neuen monolithischen fluidischen Vorrichtung (z. B. Messzelle, Mischereinheit und/oder Filtereinheit) mit grundsätzlich idealen Eigenschaften für HPLC-Anwendungen verwendet werden. Durch das freie Design kann das Totvolumen und damit auch die Dispersion minimiert werden. Darüber hinaus ermöglicht der Werkstoff Glas oder Saphir eine uneingeschränkte Biokompatibilität und eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit. Die einteilige, d. h. monolithische Struktur ohne zusätzliche Dichtungen kann ferner weniger fehleranfällig sein und lässt sich unter Verwendung geeigneter integrierter Strukturen leicht montieren. Ferner kann die monolithische fluidische Vorrichtung ein insgesamt sehr kompaktes Design ermöglichen. Dies kann miniaturisierte Vorrichtungen mit geringem Platzbedarf im Labor ermöglichen und gleichzeitig die Fehleranfälligkeit aufgrund der reduzierten Komplexität der Vorrichtungen verringern. Die Druckbeständigkeit kann durch entsprechende Materialstärke an die Anforderungen angepasst werden (z. B. 500 bar für den sicheren Einsatz im Hochdruckteil einer HPLC). Zusätzlich oder alternativ kann die Druckfestigkeit durch Verwendung einer geeigneten Vorrichtungs-Stützkonstruktion (z. B. aus Metall) erhöht werden, wobei unter Umständen z. B. Betriebsdrücke von 1000 bar oder sogar 1500 bar möglich sind. Aufgrund der durchlässigen Materialien ist eine In-situ Qualitätskontrolle der gesamten fluidischen Vorrichtung, z. B. des Mischers, mit einfachen optischen Messgeräten denkbar. Ferner kann der gewählte Herstellungsprozess die Fertigung einer kompletten fluidischen Vorrichtung in nur zwei Fertigungsschritten (3D-Volumenstrukturierung und Ätzen, wobei jeder Schritt auch Teilschritte umfassen kann) und damit letztlich eine deutlich geringere Fertigungskomplexität ermöglichen. Dies kann insbesondere im Hinblick auf die hervorragende Biokompatibilität des Materials vorteilhaft sein.
Jedes mal, wenn ein relativer Ausdruck wie „ungefähr“, „im Wesentlichen“ oder „annähernd“ in dieser Spezifikation angewandt wird, sollte ein solcher Ausdruck ebenfalls so ausgelegt werden, dass er auch den genauen Ausdruck einschließt. Das heißt, z. B. „im Wesentlichen gerade“ sollte ebenfalls so ausgelegt werden, dass auch „(genau) gerade“ eingeschlossen ist.
Wann immer Singularartikel in der Beschreibung oder in beigefügten Ansprüchen verwendet werden, schließt die Singularform eine Mehrzahl nicht aus, d. h. beispielsweise kann „ein Fluidkanal“ auch mehr als einen Kanal umfassen. Mit anderen Worten kann es als „mindestens ein Fluidkanal“ gelesen werden, sofern nicht anders angegeben.
Wenn Schritte im Vorstehenden oder auch in den angehängten Ansprüchen angeführt wurden, ist anzumerken, dass die Reihenfolge, in der die Schritte im Text angeführt werden, zufällig sein mag. Das heißt, wenn nicht anders spezifiziert oder wenn es für den Fachmann nicht klar ist, kann die Reihenfolge, in der die Schritte angeführt werden, beliebig sein. Das heißt, wenn das vorliegende Dokument angibt, dass z. B. ein Verfahren Schritte (A) und (B) umfasst, bedeutet dies nicht unbedingt, dass Schritt (A) Schritt (B) vorausgeht, sondern es ist ebenfalls möglich, dass Schritt (A) (zumindest teilweise) gleichzeitig mit Schritt (B) ausgeführt wird, oder dass Schritt (B) Schritt (A) vorausgeht. Wenn überdies ein Schritt (X) einem anderen Schritt (Z) vorausgehen soll, bedeutet dies nicht, dass zwischen Schritt (X) und (Z) kein Schritt ist. Das heißt, Schritt (X), der Schritt (Z) vorausgeht, schließt die Situation ein, dass Schritt (X) direkt vor Schritt (Z) ausgeführt wird, doch auch die Situation, dass (X) vor einem oder mehreren Schritten (Y1),..., gefolgt von Schritt (Z), ausgeführt wird. Entsprechende Erwägungen gelten, wenn Begriffe wie „nach“ oder „vor“ verwendet werden.
Während in den vorstehenden Ausführungen eine bevorzugte Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben wurde, wird der Fachmann verstehen, dass diese Ausführungsform nur zu Zwecken der Veranschaulichung bereitgestellt wurde und keineswegs als Einschränkung des Geltungsbereichs dieser Erfindung, die durch die Ansprüche definiert ist, ausgelegt werden sollte.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2011/0192217 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Lee, C.-Y.; Chang, C.-L.; Wang, Y.-N.; Fu, L.-M. Microfluidic Mixing: A Review. Int. J. Mol. Sci.2011, 12, 3263-3287 [0008]

Claims

Verwendung einer fluidischen Vorrichtung (100) in einem Hochleistungs-Flüssigkeitschromatografiesystem, wobei die fluidische Vorrichtung (100) durch ein Verfahren erhalten werden kann, wobei das Verfahren umfasst: Durchführen eines Strukturierungsprozesses (10) in einem Substrat (160) und dadurch Modifizieren einer Ätzrate eines Abschnitts des Substrats; und Ätzen (20) des Substrats (160) nach Durchführung des Strukturierungsprozesses (10).
Verwendung nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das Verfahren ferner das Polieren (30) mindestens eines Teilabschnitts der fluidischen Vorrichtung (100) nach dem Ätzen (20) umfasst.
Verwendung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die fluidische Vorrichtung (100) monolithisch ist.
Verwendung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die fluidische Vorrichtung (100) mindestens eine Messzelle umfasst und wobei die Messzelle umfasst: eine Messkammer (110), umfassend mindestens einen Messkammereinlass (111) und mindestens einen Messkammerauslass (112); und mindestens einen optischen Zugang (120) zu der Messkammer.
Verwendung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die fluidische Vorrichtung mindestens eine Messeinheit (170) umfasst und wobei die Messeinheit umfasst: mindestens eine Mischstruktur (171); mindestens einen Mischereinlass (172); und mindestens einen Mischerauslass (173).
Verwendung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die fluidische Vorrichtung eine Filtereinheit (180) umfasst und wobei die Filtereinheit mindestens eine Filterstufe (1811, 1812, 1813) umfasst, die zum Filtern einer Flüssigkeit konfiguriert ist, die durch die Filterstufe fließt.
Verwendung nach dem vorstehenden Anspruch, wobei jede Filterstufe (1811, 1812, 1813) eine Mehrzahl von Poren umfasst, die eine Porengröße (P) umfassen, wobei jede Porengröße P im Bereich von 1 µm bis 300 µm, bevorzugt 1 µm bis 50 µm, bevorzugter 1 µm bis 10 µm, liegt.
Verwendung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Filtereinheit eine Mehrzahl von Filterstufen (1811, 1812, 1813) umfasst und wobei jede Filterstufe Poren einer unterschiedlichen Porengröße (P) umfasst, wobei die Porengröße (P) mit jeder Filterstufe (1811, 1812, 1813) in Strömungsrichtung abnimmt.
Verwendung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die fluidische Vorrichtung für Drücke bis zu mindestens 50 bar, bevorzugt bis zu mindestens 500 bar, bevorzugter bis zu mindestens 1000 bar, noch bevorzugter bis zu mindestens 1500 bar, konfiguriert ist.
Hochleistungs-Flüssigkeitschromatografiesystem, wobei das System umfasst: eine fluidische Vorrichtung (100), die durch ein Verfahren erhalten werden kann, wobei das Verfahren umfasst: Durchführen eines Strukturierungsprozesses (10) in einem Substrat (160) und dadurch Modifizieren einer Ätzrate eines Abschnitts des Substrats; und Ätzen (20) des Substrats (160) nach Durchführung des Strukturierungsprozesses (10).
System nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das Verfahren ferner das Polieren (30) mindestens eines Teilabschnitts der fluidischen Vorrichtung nach dem Ätzen umfasst.
System nach einem der Ansprüche 10 und 11, wobei die fluidische Vorrichtung (100) eines der Merkmale nach Anspruch 3 bis 9 umfasst.