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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einer Analysekartusche, einem Verfahren zum Herstellen einer Membran für eine Analysekartusche und ein Verfahren zum Betreiben einer Analysekartusche nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
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Eine Lab-on-Chip Einwegkartusche für medizinische Analysesysteme ist mit strukturierten Trägerplatten aus transparentem Kunststoff aufgebaut, die durch einen Laserschweißprozess mit einer elastischen Zwischenschicht verbunden sind. Zwischen den Trägerplatten sind weitere Analysekomponenten wie beispielsweise befüllte Reagenzriegel integriert. Für die elastische Verbindungsschicht mit gleichzeitiger Pumpfunktion wird eine dünne Membran aus einem thermoplastischem Polyurethan Elastomer integriert, die als extrudierte Folie mit einer minimalen Härte von 75 Shore A hergestellt und in einem zweiten Prozessschritt passend ausgestanzt wird. Um in einem Laserschweißprozess die transparenten Trägerplatten mit der Membrane verbinden zu können, ist diese meist schwarz eingefärbt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Analysekartusche, ein Verfahren zum Herstellen einer Membran für eine Analysekartusche und ein Verfahren zum Betreiben einer Analysekartusche, weiterhin eine Vorrichtung, die eines dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Mit der hier vorgestellten Analysekartusche wird der Prozess des Analysierens von Probenmaterial verbessert und Störfaktoren während des Prozessierens eines Fluids und während des Durchführens von Reaktionen innerhalb der Analysekartusche vermindert.
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Es wird eine Analysekartusche zum Analysieren von Probenmaterial vorgestellt, wobei die Analysekartusche mindestens eine Trägerplatte mit zumindest einer Fluidkomponente oder mehreren Fluidkomponenten zum Aufnehmen eines Fluids aufweist. Zudem weist die Analysekartusche mindestens eine Membran auf, die an einer Hauptoberfläche der Trägerplatte angeordnet oder anordenbar ist, wobei die Fluidkomponente(n) von einem ersten Material der Membran überdeckt sind und ein sich von dem ersten Material unterscheidendes zweites Material in Kontakt mit der Hauptoberfläche steht und die zumindest eine Fluidkomponente nicht überdeckt.
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Bei der Analysekartusche kann es sich beispielsweise um eine Einwegkartusche eines sogenannten Lab-on-Chip-Systems handeln, die zum Analysieren von medizinischem oder anderem Probenmaterial verwendet werden kann. Sie kann zum Beispiel in medizinischen Diagnosesystemen eingesetzt werden. Dabei kann die mindestens eine Trägerplatte verschiedene mikrofluidische Kanäle und Kammern aufweisen, die ausgebildet sein können, um Fluide aufzunehmen und zu leiten, wobei beispielsweise in verschiedenen mikrofluidischen Kammern verschiedene Reaktionen stattfinden können. Die Membran kann zum Beispiel als elastische Verbindungsschicht mit gleichzeitiger Pumpfunktion zwischen zwei Trägerplatten ausgebildet sein. Dabei bildet die Membran vorteilhafterweise eine im Wesentlichen ebene und durchgängige Schicht, die sich ohne Durchbrüche über die gesamte Hauptoberfläche der Trägerplatte erstreckt. Aufgrund der sich unterscheidenden verwendeten Materialien in verschiedenen Bereichen der Membran, und damit in verschiedenen Bereichen der Trägerplatte, ist es vorteilhafterweise möglich, auch ohne Durchbrüche im Bereich der Fluidkomponenten beispielsweise den Verlauf und die Farbe von Analyseflüssigkeiten, die in der Analysekartusche zum Analysieren von Probenmaterial eingesetzt werden können, optisch auszulesen. Dabei kann es sich bei dem ersten Material zum Beispiel um einen Elastomerkunststoff mit FDA Zulassung handeln und bei dem zweiten Material um einen kostengünstigeren Elastomerkunststoff ohne FDA Zulassung. Da das erste Material während in den Fluidkomponenten durchgeführter Prozesse mit der Analyseflüssigkeit in Kontakt kommen kann und diese, beispielsweise durch ausdiffundierende Substanzen, nicht beeinflusst werden darf, ist in den Bereichen der Fluidkomponente(n) das erste Material eingesetzt, das vorteilhafterweise die Analyseprozesse in den Fluidkomponenten nicht beeinflusst. In Kombination mit dem zweiten Material, das weder mit der/den Fluidkomponente(n) noch mit den in der/den Fluidkomponente(n) geleiteten Fluiden in Kontakt kommt, können die Kosten für die Membran bei verbesserten Eigenschaften im Bereich der Fluidkomponente(n) vorteilhafterweise gering gehalten werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Membran eine erste Membranschicht und eine zweite Membranschicht umfassen, wobei die erste Membranschicht das erste Material aufweisen kann und die zweite Membranschicht das zweite Material. Die erste Membranschicht und die zweite Membranschicht können beispielsweise durch spezielle Haftvermittler in ihren Materialien eine sehr gute Haftbindung miteinander eingehen. Vorteilhafterweise kann somit eine durchgängige und im Wesentlichen ebene Mehrschichtmembran eingesetzt werden, die gleichzeitig materialbedingt verschiedene Eigenschaften aufweist. So kann in verschiedenen Bereichen der Trägerplatte ein für den jeweiligen Bereich optimales Material angelegt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das erste Material ein thermoplastisches Polystyrol und zusätzlich oder alternativ das zweite Material ein thermoplastisches Polyurethan aufweisen. Eine Kombination von thermoplastischem Polyurethan Elastomer (TPU) und thermoplastischem Polystyrol Elastomer (TPS) kann besonders vorteilhaft sein, da das Polyurethan kostengünstig hergestellt werden kann und beispielsweise in einem Laserschweißprozess als Verbindungsschicht zwischen zwei Trägerplatten eingesetzt werden kann. Zugleich weist das Polystyrol vorteilhafterweise verschiedene Eigenschaften auf, die sich im Bereich der Fluidkomponente(n) positiv auf einen dort stattfindenden Analyseprozess auswirken können. Während ein Elastomerkunststoff mit dem Basismaterial Polyurethan eine bestimmte Wasseraufnahmefähigkeit und eine Wasserdampfdurchlässigkeit aufweist, die Analyseprozesse in der Analysekartusche beziehungsweise auf dem Chip beeinflussen können, kann eine Membran aus thermoplastischem Polystyrol zum Beispiel wasser- und luftdicht ausgebildet sein, damit keine Wasser- oder Gasblasen in eine Trägerflüssigkeit in den Fluidkomponenten gelangen können. Auch können durch die Verwendung von Polystyrol im Bereich der Fluidkomponente(n) bei Heizprozessen in der Kartusche keine Gase durch die Schicht in die Analyseflüssigkeit gelangen, wodurch ebenfalls Fehlfunktionen oder beispielsweise Ablösungen in der Schweißverbindung vermieden werden können. Das hat den Vorteil, dass ein Analyseprozess in der Analysekartusche störungsfrei verlaufen kann.
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Zudem kann das erste Material heller sein als das zweite Material und zusätzlich oder alternativ kann das erste Material weiß sein und zusätzlich oder alternativ kann das zweite Material schwarz sein. Beispielsweise kann das zweite Material bereits in einem Herstellungsprozess schwarz eingefärbt werden, um besonders vorteilhaft in einem Laserschweißprozess beispielsweise durch Erwärmung aufgrund einer absorbierten Strahlung mit der, beispielsweise transparenten, Trägerplatte verbindbar zu sein. Gleichzeitig kann das erste Material beispielsweise eine weiße Farbe aufweisen, wodurch vorteilhafterweise der Verlauf und die Farbe von in den Fluidkomponenten prozessierten Analyseflüssigkeiten in jedem Fluidkanal optisch auslesbar sein können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das erste Material einen geringeren Härtegrad aufweisen als das zweite Material und zusätzlich oder alternativ kann das erste Material einen Härtegrad kleiner als 75 Shore A aufweisen und zusätzlich oder alternativ kann das zweite Material einen Härtegrad größer als 75 Shore A aufweisen. Beispielsweise kann das erste Material eine Härte zwischen 50 und 75 Shore A aufweisen, wodurch vorteilhafterweise die Dehnfähigkeit der Membran im Bereich der Fluidkomponente(n) gegenüber dem die Hauptoberfläche der Trägerplatte kontaktierenden zweiten Material erhöht werden kann. Insbesondere bei einem Kontakt mit beispielsweise einer mikrofluidischen Pumpkammer, die auch als Analysekammer bezeichnet werden kann, kann eine solche erhöhte Dehnfähigkeit sich vorteilhaft auf in der Pumpkammer ablaufende Prozesse auswirken.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Trägerplatte transparent ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Trägerplatte aus transparentem Kunststoff, wie zum Beispiel PolycarbonatTPS (PC) oder Polystyrol (PS, SAN), gefertigt sein. Das hat den Vorteil, dass in den Fluidkanälen und Fluidkammern der Trägerplatte ablaufende Prozesse einfach optisch ausgelesen werden können.
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Zudem wird ein Verfahren zum Herstellen einer Membran für eine Variante einer zuvor vorgestellten Analysekartusche vorgestellt, wobei das Verfahren einen Schritt des Einsetzens einer Trägerfolie in ein Zweikavitäten-Spritzprägewerkzeug umfasst, einen Schritt des Prägens eines ersten Materials auf die Trägerfolie in einer ersten Kavität des Zweikavitäten-Spritzwerkzeugs und einen Schritt des Aufprägens eines zweiten Materials auf die Trägerfolie und das erste Material in einer zweiten Kavität des Zweikavitäten-Spritzwerkzeugs um die Membran für eine Varianter der zuvor vorgestellten Analysekartusche herzustellen. Die Trägerfolie kann zum Beispiel im Vorfeld zugeschnitten werden und beispielsweise aus Polyethylenterephthalat (PET) oder Polypropylen (PP) bestehen. Sie kann nach dem hier beschriebenen Verfahren zum Beispiel für den Transport und die Handhabung der Membran, die auch als elastische Folie bezeichnet werden kann, angewendet werden. Vorteilhafterweise kann durch den Prozess des Spritzprägens ein Einsatz von Klebstoff zwischen der Membran und der Trägerfolie vermieden werden, wodurch mögliche Haftprobleme in einem späteren Laserschweißprozess vermieden werden können. Vorteilhafterweise kann, beispielsweise bei der Verwendung von Polyurethan und Polystyrol, die Haftung zur Trägerfolie von beiden Kunststoffen gering sein und die Trägerfolie kann nach dem Verschweißen mit der Trägerplatte einfach abgezogen werden. So kann eine kostengünstige, elastische Mehrschichtmembran entstehen, die partiell weicher sowie wasserdampf- und luftdicht sein kann und durch einen Laserschweißprozess mit den Polycarbonat Trägerplatten verschweißt werden kann.
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Mit anderen Worten kann mit dem hier vorgestellten Verfahren eine kostengünstige und dünne, funktionelle Elastomermembran für eine Analysekartusche gefertigt werden, die einseitig eine bestimmte Wasserdampfundurchlässigkeit aufweisen kann, wodurch eine große Anzahl von Analyseprozessen unbeeinflusst durchgeführt werden können. Gleichzeitig kann ein Laserschweißprozess von einer schwarzen TPU-Serienmembran mit einer transparenten Polycarbonat-Trägerplatte unverändert erhalten bleiben. Zusätzlich kann die in dem hier vorgestellten Verfahren gefertigte Membran partiell wasser- und luftdicht sein, damit kein Wasser und zusätzlich oder alternativ keine Gasblasen in die Trägerflüssigkeit gelangen kann und das Analyseergebnis oder die Schweißverbindungen unbeeinflusst bleiben. Zudem lässt sich mit dem hier vorgestellten Verfahren eine ebene Membran mit einer konstanten Schichtdicke herstellen, wodurch in Kombination mit einer transparenten Trägerplatte in einem anschließenden Schweißprozess keine Spannungen durch unterschiedliche Schichtabstände entstehen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren einen zusätzlichen Schritt des Abkühlens des auf die Trägerfolie geprägten ersten Materials nach dem Schritt des Prägens und vor dem Schritt des Aufprägens des zweiten Materials umfassen. Beispielsweise kann sich eine Trennebene des Zweikavitäten-Spritzprägewerkzeugs erst nach einer vorgegebenen Abkühlzeit öffnen. Das hat den Vorteil, dass das erste Material im anschließenden Schritt des Aufprägens seine zuvor geprägte Form im Wesentlichen unverändert behalten kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren einen zusätzlichen Schritt des Bewegens des ersten Materials auf der Trägerfolie von der ersten Kavität zur zweiten Kavität umfassen, insbesondere wobei der Schritt des Bewegens nach dem Schritt des Prägens und vor dem Schritt des Aufprägens erfolgen kann. Das Zweikavitäten-Spritzprägewerkzeug kann zum Beispiel einen Drehteller umfassen, durch den anschließend an den Schritt des Prägens oder anschließend an den Schritt des Abkühlens eine Auswerferseite des Spritzprägewerkzeugs, in der die Trägerfolie durch ein Vakuum gehalten wird, um 180° dreht. Vorteilhafterweise kann so die Trägerfolie mit dem bereits aufgeprägten ersten Material ohne Verzögerung zur zweiten Kavität transportiert werden, damit dort das zweite Material aufgeprägt werden kann.
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Zudem wird ein Verfahren zum Herstellen einer Variante der zuvor vorgestellten Analysekartusche vorgestellt, wobei das Verfahren einen Schritt des Bereitstellens einer Trägerplatte und einer wie zuvor beschrieben hergestellten Membran umfasst und einen Schritt des Zusammenfügens der Membran mit der Trägerplatte um eine Variante der zuvor vorgestellten Analysekartusche herzustellen. Vorteilhafterweise können dadurch die zuvor beschriebenen Vorteile bereits während eines Herstellerprozesses optimal berücksichtigt werden.
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Zudem wird ein Verfahren zum Betreiben einer Variante einer zuvor vorgestellten Analysekartusche vorgestellt, wobei das Verfahren einen Schritt des Einleitens eines Fluids in die Analysekartusche und einen Schritt des Prozessierens des Fluids in der Analysekartusche zum Betreiben der Analysekartusche umfasst. Vorteilhafterweise können durch dieses Verfahren die zuvor beschriebenen Vorteile der Analysekartusche optimal eingesetzt werden.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Analysekartusche;
- 2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Zweikavitäten-Spritzprägewerkzeugs;
- 3 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran gemäß einer hier vorgestellten Variante;
- 4 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen einer Analysekartusche gemäß einer hier vorgestellten Variante;
- 5 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer Analysekartusche gemäß einer hier vorgestellten Variante; und
- 6 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Herstellen und Betreiben einer Analysekartusche sowie zum Herstellen einer Membran für eine Analysekartusche gemäß einer hier vorgestellten Variante.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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1 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Analysekartusche 100. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Analysekartusche 100 eine Trägerplatte 105 aus transparentem Polycarbonat, die auch als PC-Trägerplatte bezeichnet werden kann, in der verschiedene Fluidkomponenten 110, wie Fluidkanäle 112 und Fluidkammern 113, ausgeformt sind. Die Fluidkomponenten 110 sind ausgebildet, um ein Fluid aufzunehmen und zu prozessieren. Unter der transparenten Trägerplatte 105 ist entlang einer Hauptoberfläche 115 eine Membran 120 angeordnet, die in diesem Ausführungsbeispiel als Mehrschichtmembran aus unterschiedlichen Elastomerkunststoffen ausgebildet ist. Dabei sind die Fluidkomponenten 110 von einer ersten Membranschicht 125 aus einem ersten Material abgedeckt. In diesem Ausführungsbeispiel weist das erste Material ein spritzgießbares thermoplastisches Polystyrol Elastomer (TPS) in Weiß auf, weshalb die erste Membranschicht auch als TPS-Membran bezeichnet werden kann. Die erste Membranschicht 125 ist nur in den Bereichen angeordnet, in denen die Fluidkanäle 112 und Fluidkammern 113 mit einer Analyseflüssigkeit verlaufen, weshalb in diesen Bereichen eine Wasserdampfundurchlässigkeit benötigt wird. Durch die weiße Farbe der ersten Membranschicht 125 sind der Verlauf und die Farbe einer Analyseflüssigkeit ohne zusätzliche Durchbrüche in der Membran in diesem Ausführungsbeispiel in allen Fluidkanälen optisch auslesbar. Das erste Material weist zudem lediglich beispielhaft eine Härte kleiner 75 Shore A auf und hat eine FDA Zulassung.
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In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Membran 120 außerdem eine zweite Membranschicht 130, die in Bereichen zwischen und neben den Fluidkomponenten 110 angeordnet ist und mit einem sich von dem ersten Material unterscheidenden zweiten Material ausgebildet ist. Lediglich beispielhaft ist die zweite Membranschicht 130 in diesem Ausführungsbeispiel mit einem kostengünstigen, spritzgießbaren, thermoplastischen Polyurethan Elastomer (TPU) in schwarz ausgebildet, weshalb sie auch als TPU-Membran bezeichnet werden kann. Die zweite Membranschicht 130 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine temperaturbeständige Härte größer 75 Shore A und im Unterschied zu der ersten Membranschicht 125 keine FDA Zulassung auf. Diese wird nicht benötigt, da sie aufgrund ihrer beschriebenen Anordnung nicht mit den Analysekomponenten 110 und daher auch nicht mit einem darin prozessierten Fluid in Kontakt kommt. Die erste Membranschicht 125 ist in diesem Ausführungsbeispiel haftfest mit der zweiten Membranschicht 130 über eine Schweißnaht 135 verbunden.
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2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Zweikavitäten-Spritzprägewerkzeugs 200. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Zweikavitäten-Spritzprägewerkzeug 200 Teil einer nicht dargestellten Spritzgießmaschine und umfasst einen Drehteller 205, einen ersten Prägestempel 210 und einen zweiten Prägestempel 215. Der mit dem Drehteller 205 verbundene erste Prägestempel 210 und der ebenfalls mit dem Drehteller 205 verbundene Prägestempel 215 sind in der hier gezeigten Figur auf der linken Seite angeordnet, die als Auswerferseite 225 bezeichnet wird. Der erste Prägestempel 210, der auch als Prägestempel 1 bezeichnet werden kann, ist ausgebildet, um eine im Vorfeld zugeschnittene Trägerfolie 220 aufzunehmen und mittels eines Vakuums zu halten. Die Trägerfolie 220 besteht lediglich beispielhaft aus Polyethylenterephthalat (PET) und ist mit Mikrostrukturierungen ausgeformt. In einem anderen Ausführungsbeispiel besteht die Trägerfolie aus Polypropylen (PP).
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Dem Drehteller 205 gegenüber auf der rechten Seite der Figur, der sogenannten Düsenseite 230, ist eine erste Spritzeinheit 235 angeordnet, die auch als Spritzeinheit 1 bezeichnet werden kann. Die Auswerferseite 225 und die Düsenseite 230 sind entlang einer zwischen ihnen verlaufenden Trennebene 237 trennbar ausgebildet. In der Düsenseite 230 unterhalb der Spritzeinheit 235 ist eine erste Kavität 240 angeordnet, die auch als Kavität 1 bezeichnet werden kann. In die erste Kavität 240 ist in diesem Ausführungsbeispiel die Kontur der in 1 beschriebenen Fluidkomponenten eingearbeitet. Über die erste Spritzeinheit 235 und über einen zwischen der ersten Spritzeinheit 235 und der ersten Kavität 240 verlaufenden ersten Angusskanal 245 ist eine Teilfüllung eines ersten Materials 250 mit geringem Forminnendruck in die erste Kavität 240 einspritzbar. Da die erste Kavität 240 direkt an den ersten Prägestempel 210 und die daran angelegte Trägerfolie 220 angrenzt, wird ein eingespritztes erstes Material 250 während eines Einspritzvorgangs parallel auf die Trägerfolie 220 geprägt. Die Härte des ersten Materials 250 liegt in diesem Ausführungsbeispiel zwischen 50 bis 75 Shore A. Unterschiedliche Mikrostrukturierungen auf der Trägerfolie 220 sind während eines Einspritzvorgangs direkt mit abformbar.
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In der Düsenseite 230 oberhalb der Spritzeinheit 235 ist eine zweite Kavität 255 angeordnet, die auch als Kavität 2 bezeichnet werden kann. Diese ist über einen zweiten Angusskanal 260 mit einer zweiten Spritzeinheit 265, die auch als Spritzeinheit 2 bezeichnet werden kann, fluidisch verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel ist bei einem Öffnen der Trennebene 237 der erste Prägestempel 210, und mit ihm die durch ein Vakuum gehaltene Trägerfolie 220 und das auf die Trägerfolie 220 geprägte erste Material 250, mittels des Drehtellers 205 um 180° schwenkbar ausgebildet. Durch einen Schwenkvorgang ist die Trägerfolie 220 mit dem ersten Material 250 in die zweite Kavität 255 bewegbar. Nach einem Schließen der Trennebene 237 ist die Trägerfolie 220 mit dem ersten Material 250 dementsprechend in der zweiten Kavität 255 angeordnet. Die zweite Spritzeinheit 265 ist diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um über den zweiten Angusskanal 260 eine zweite Teilfüllung eines zweiten Materials 270 mit geringem Forminnendruck in die zweite Kavität mit der Außenkontur der in 1 beschriebenen Membran zu spritzen. In diesem Ausführungsbeispiel ist diese Kunststoffschmelze ein kostengünstiges thermoplastisches Polyurethan Elastomer (TPU) ohne FDA Zulassung und einer temperaturbeständigen Härte zwischen 75 bis 90 Shore A. Das zweite Material 270 ist über die Schicht des ersten Materials 250 parallel auf die Trägerfolie 220 aufprägbar. Dabei geht das zweite Material 270 durch spezielle Haftvermittler im ersten Material 250 eine sehr gute Haftverbindung mit diesem ein.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 300 zum Herstellen einer Membran gemäß einer hier vorgestellten Variante. Dabei kann es sich um die in 1 beschriebene Membran handeln. Das Verfahren 300 umfasst einen Schritt 305 des Einsetzens, einen Schritt 310 des Prägens, einen Schritt 315 des Abkühlens, einen Schritt 320 des Bewegens und einen Schritt 325 des Aufprägens.
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Im Schritt 305 des Einsetzens wird in diesem Ausführungsbeispiel eine Trägerfolie mit Mikrostrukturierungen mittels eines Handlings in ein Zweikavitäten-Spritzprägewerkzeug, wie es in 2 beschrieben wurde, eingesetzt. Die Trägerfolie wird dabei mittels eines Vakuums an einem Prägestempel gehalten.
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Im Schritt 310 des Prägens wird ein erstes Material ohne Klebstoff auf die Trägerfolie in einer ersten Kavität des Zweikavitäten-Spritzprägewerkzeugs geprägt. In der Düsenseite und der ersten Kavität ist in diesem Ausführungsbeispiel die Kontur der Fluidkanäle und -kammern der in 1 beschriebenen Trägerplatte eingearbeitet. Über eine erste Spritzeinheit und einen ersten Angusskanal wird die Teilfüllung des ersten Materials mit geringem Forminnendruck eingespritzt und parallel auf die Trägerfolie geprägt. Die Härte des ersten Materials liegt dabei zwischen 50 bis 75 Shore A. Unterschiedliche Mikrostrukturierungen auf der Trägerfolie werden in diesem Schritt direkt mit abgeformt.
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Mit anderen Worten wird in diesem Ausführungsbeispiel in der ersten Kavität ein weißes TPS mit FDA Zulassung und einer Härte kleiner 75 Shore A nur in den Bereichen auf die Trägerschicht geprägt, wo nach einem späteren Schritt des Zusammenfügens der Membran mit einer Trägerplatte die Fluidkanäle und - kammern mit einer Analyseflüssigkeit verlaufen und eine Wasserdampfundurchlässigkeit benötigt wird. Somit können bei Verwendung der Analysekartusche der Verlauf und die Farbe der Analyseflüssigkeit ohne zusätzliche Durchbrüche in der Membran in allen Fluidkanälen optisch ausgelesen werden.
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Im Schritt 315 des Abkühlens wird lediglich beispielhaft entsprechend einer voreingestellten Zeitspanne das Zweikavitäten-Spritzprägewerkzeug in Ruhe gehalten, bis das auf die Trägerfolie geprägte ersten Material abgekühlt und somit ausgehärtet ist.
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Im Schritt 320 des Bewegens wird das Zweikavitäten-Spritzprägewerkzeug entlang einer Trennebene geöffnet. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Anguss mit Anschnitt vom Handling abgetrennt, der Drehteller schwenkt die Auswerferseite des Zweikavitäten-Spritzprägewerkzeugs, an der die Trägerfolie mit dem ersten Material angeordnet ist, um 180° und die Trennebene wird wieder geschlossen. Dabei bleibt das Vakuum hinter der Trägerfolie angelegt.
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Im Schritt 325 des Aufprägens wird ein zweites Material ebenfalls ohne Klebstoff auf die Trägerfolie und das erste Material in einer zweiten Kavität des Zweikavitäten-Spritzwerkzeugs parallel auf die Trägerfolie aufgeprägt. Dabei werden das erste Material und das zweite Material haftfest miteinander verbunden. Durch die materialschonenden Teilfüllungen der Kavitäten beim Spritzprägen in Kombination mit der anschließend flächigen Schließkraft der Prägestempel und dem geringen Forminnendruck entsteht eine sehr ebene Mehrschichtmembrane ohne Spannungen, die auf eine sehr dünne und gleichmäßige Schichtdicke ohne Schnittkanten einstellbar ist. Dabei entsteht nur eine leichte Haftung zur Trägerfolie, die ein einfaches Abziehen nach einem Verschweißen mit einer Trägerplatte aus Polycarbonat ermöglicht.
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Mit anderen Worten wird im Schritt 320 des Bewegens und im Schritt 325 des Aufprägens die Auswerferseite des Spritzprägewerkzeugs, in der die Trägerfolie durch ein Vakuum gehalten wird, gedreht und das kostengünstige TPU ohne FDA Zulassung sowie einer temperaturbeständigen Härte größer 75 Shore A haftfest auf das TPS geprägt. Im Anschluss wird das Werkzeug geöffnet und die Trägerfolie mit der aufgeprägten Mehrschichtmembrane aus der Auswerferseite entformt. Da die Haftung zur Trägerfolie von beiden Kunststoffen gering ist, kann sie nach dem Verschweißen mit der Trägerplatte aus Polycarbonat einfach abgezogen werden.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 400 zum Herstellen einer Analysekartusche gemäß einer hier vorgestellten Variante. Das Verfahren 400 umfasst einen Schritt 405 des Bereitstellens einer Trägerplatte und einer Variante einer in einem Verfahren wie es in 3 beschrieben wurde hergestellten Membran. Des Weiteren umfasst das Verfahren 400 einen Schritt 410 des Zusammenfügens der Membran mit der Trägerplatte, wobei in diesem Ausführungsbeispiel ein Teil der Membran, der aus einem schwarz eingefärbten TPU-Material besteht, in einem Laserschweißprozess mit der transparenten Trägerplatte verbunden wird. Mit dem Fertigungsverfahren wird in kurzer Zykluszeit eine sehr dünne sowie ebene, elastische Mehrschichtmembran mit einer wasserdampf- und luftundurchlässigen Seite für eine Analysekartusche eines Lab-on-Chip Analysesystems kostengünstig hergestellt.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 500 zum Betreiben einer Analysekartusche gemäß einer hier vorgestellten Variante. Das Verfahren 500 umfasst einen Schritt 505 des Einleitens eines Fluids in die Analysekartusche und einen Schritt 510 des Prozessierens des Fluids in der Analysekartusche.
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6 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 600 zum Herstellen und Betreiben einer Analysekartusche sowie zum Herstellen einer Membran für eine Analysekartusche gemäß einer hier vorgestellten Variante. Die Vorrichtung 600 umfasst eine Membraneinheit 605 zum Ansteuern eines Verfahrens zum Herstellen einer Membran, mit einem Schritt des Einsetzens, einem Schritt des Prägens und einem Schritt des Aufprägens. Ferner umfasst die Vorrichtung 600 eine Kartuscheneinheit 610 zum Ansteuern eines Verfahrens zum Herstellen einer Analysekartusche mit einem Schritt des Bereitstellens und einem Schritt des Zusammenfügens. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 600 eine Betreibeeinheit 615 zum Betreiben einer Analysekartusche mit einem Schritt des Einleitens und einem Schritt des Prozessierens.
