DE102021205954A1

DE102021205954A1 - Mikrofluidische Vorrichtung, Verfahren zum Herstellen einer mikrofluidischen Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102021205954A1
Application number: DE102021205954.6A
Authority: DE
Inventors: Daniel Sebastian Podbiel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-06-11
Filing date: 2021-06-11
Publication date: 2022-12-15
Also published as: WO2022258702A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mikrofluidische Vorrichtung (100) zum Prozessieren von mindestens einem Fluid (110), wobei die mikrofluidische Vorrichtung (100) mindestens einen Fluidkanal (105) zum Führen des Fluids (110) aufweist, wobei der Fluidkanal (105) einen ersten Kanalabschnitt (115) mit einer ersten Querschnittsfläche (120), einen zweiten Kanalabschnitt (125) mit einer zweiten Querschnittsfläche (130) und einen den ersten Kanalabschnitt (115) und den zweiten Kanalabschnitt (125) verbindenden Verbindungsabschnitt (135) aufweist, wobei die zweite Querschnittsfläche (130) größer ist als die erste Querschnittsfläche (120) und wobei der Verbindungsabschnitt (135) sich von der ersten Querschnittsfläche (120) zu der zweiten Querschnittsfläche (130) vergrößert und relativ zu dem ersten Kanalabschnitt (115) und dem zweiten Kanalabschnitt (125) versetzt angeordnet ist, insbesondere wobei der Verbindungsabschnitt (135) bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Vorrichtung (100) in einem vordefinierten maximalen Winkel zu einer Richtung einer Gravitationskraft (140) der Erde angeordnet oder anordenbar ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einer mikrofluidischen Vorrichtung, einem Verfahren zum Herstellen einer mikrofluidischen Vorrichtung, einem Verfahren zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung und einer Verwendung einer mikrofluidischen Vorrichtung in Verbindung mit mindestens einem Fluid nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
Mikrofluidische Analysesysteme, sogenannte Lab-on-Chips oder kurz LoCs, erlauben ein automatisiertes, zuverlässiges, schnelles, kompaktes und kostengünstiges Prozessieren von Patientenproben für die medizinische Diagnostik. Durch die Kombination einer Vielzahl von Operationen für die kontrollierte Manipulation von Fluiden können komplexe molekulardiagnostische Testabläufe auf einer Lab-on-Chip-Kartusche durchgeführt werden. Eine wichtige Operation stellt dabei die kontrollierte räumliche Verteilung einer Flüssigkeit und insbesondere die kontrollierte räumliche Aufweitung einer Zweiphasengrenzfläche dar.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine mikrofluidische Vorrichtung, ein Verfahren zum Herstellen einer mikrofluidischen Vorrichtung, ein Verfahren zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung und eine Verwendung einer mikrofluidischen Vorrichtung in Verbindung mit mindestens einem Fluid, weiterhin ein Steuergerät, das 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.
Innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung können Fluide unter anderem beispielsweise unter Ausnutzen von Kapillarkräften kontrolliert bewegt werden. Wenn eine Aufweitung einer Zweiphasengrenzfläche in einer lateralen Richtung jedoch ein Ausmaß annimmt, welches ein durch Kapillarkräfte dominiertes Größenregime übersteigt, kann ohne Weiteres keine kontrollierte räumliche Aufweitung der Zweiphasengrenzfläche unter Ausnutzen von den an der Zweiphasengrenzfläche wirkenden Kapillarkräften vollzogen werden. Als charakteristische Größe für einen Übergang von einem durch Kapillar- und Oberflächenkräfte dominierten Bereich in das durch Volumenkräfte bestimmte Regime kann die sogenannte Kapillarlänge herangezogen werden. Eine Überschreitung des durch Kapillarkräfte dominierten Größenregimes kann demnach beispielsweise bei einer Benetzung von Flusszellen mit einer Breite von mehreren Millimetern vorliegen. Insbesondere ist eine symmetrische Ausgestaltung der mikrofluidischen Strukturen in diesem Größenbereich im Allgemeinen nicht hinreichend, um eine räumlich homogene Aufweitung einer Phasengrenzfläche zu erzielen, da beispielsweise Randbedingungen, wie fertigungsbedingte Toleranzen oder ein Auftreten von Pinning-Effekten an strukturellen oder chemischen Oberflächendefekten der mikrofluidischen Strukturen dem entgegenwirken.
Es wird eine mikrofluidische Vorrichtung zum Prozessieren von mindestens einem Fluid vorgestellt, wobei die mikrofluidische Vorrichtung mindestens einen Fluidkanal zum Führen des Fluids aufweist, wobei der Fluidkanal einen ersten Kanalabschnitt mit einer ersten Querschnittsfläche, einen zweiten Kanalabschnitt mit einer zweiten Querschnittsfläche und einen den ersten Kanalabschnitt und den zweiten Kanalabschnitt verbindenden Verbindungsabschnitt aufweist, wobei die zweite Querschnittsfläche größer ist als die erste Querschnittsfläche und/oder der erste Kanalabschnitt relativ zu dem zweiten Kanalabschnitt versetzt angeordnet ist. In bevorzugter Ausgestaltung vergrößert sich der Verbindungsabschnitt, vorzugsweise ein Querschnitt des Verbindungsabschnitts, von der ersten Querschnittsfläche zu der zweiten Querschnittsfläche. Somit kann der Verbindungsabschnitt vorzugsweise als der Abschnitt oder die fluidische Verbindung zwischen dem ersten Kanalabschnitt und dem zweiten Kanalabschnitt verstanden werden, welcher beziehungsweise welche eine Aufweitung in der Kanalbreite von der ersten Querschnittsfläche zur zweiten Querschnittsfläche aufweist. Dabei ist der Verbindungsabschnitt vorzugsweise bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Vorrichtung in einem solchem Winkel zu einer Richtung einer Gravitationskraft der Erde in Abhängigkeit von einer Kapillarlänge des Fluids und einer Geometrie des Verbindungsabschnitts angeordnet oder anordenbar, dass eine Grenzfläche des durch den Verbindungsabschnitt fließenden vorgegebenen Fluids unter Ausnutzung der Gravitationskraft stabilisiert wird. Unter einer Stabilisierung der Grenzfläche kann insbesondere die Ausbildung und Beibehaltung einer ebenen Oberfläche des Fluids normal zum Gravitationsfeld mit abgerundetem Rand zu den Kanalwänden verstanden werden. Ein relativer Versatz zwischen dem ersten Kanalabschnitt und dem zweiten Kanalabschnitt, wobei der der relative Versatz in Form einer parallel versetzten Anordnung der beiden Kanalabschnitte ausgeführt werden kann, hat eine Richtungsänderung eines durch die beiden Kanalabschnitte fließenden Fluids zur Folge. Damit kann durch die oben beschriebene bestimmungsgemäße Ausrichtung der Vorrichtung und insbesondere des Verbindungsabschnitts im Gravitationsfeld und/oder vorzugsweise durch die relativ zueinander versetzte Anordnung der Kanalabschnitte zumindest eine Komponente des Gravitationsfelds vorteilhafterweise zur Stabilisierung der Grenzfläche benutzt werden, insbesondere zur Stabilisierung bei einer Vergrößerung der Grenzfläche, beispielsweise bei einer (lateralen) Aufweitung.
Bei der mikrofluidischen Vorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Analysekartusche, beziehungsweise ein sogenanntes Lab-on-Chip-System, handeln. Die Vorrichtung kann zum Beispiel aus Polymeren, wie beispielsweise Polycarbonat (PC), Polystyrol (PS), Styrol-Acrylnitril-Copolymer (SAN), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Cycloolefin-Copolymer (COP, COC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polydimethylsiloxan (PDMS) oder thermoplastischen Elastomeren (TPE) wie Polyurethan (TPU) oder Styrol-Blockcopolymer (TPS) gefertigt sein und beispielsweise durch Serienfertigungsverfahren wie Spritzgießen, Thermoformen, Stanzen oder Laserdurchstrahl-Schweißen hergestellt sein oder werden. Innerhalb der Vorrichtung können zum Beispiel Patientenproben oder andere Fluide, insbesondere Mehrphasensysteme, prozessiert werden. Bei dem zweiten Kanalabschnitt kann es sich zum Beispiel um einen Kanal mit einer im Vergleich zum ersten Kanalabschnitt größeren lateralen Abmessung handeln, oder beispielsweise um eine Flusszelle zum Durchführen einer Reaktion innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung, wobei auch die Flusszelle eine größere räumliche Dimension bzw. Querschnittsfläche aufweisen kann als der erste Kanalabschnitt. Somit kann die Vergrößerung der Querschnittsfläche im Verbindungsabschnitt durch einen Grad angegeben werden, um den sich die Querschnittsfläche bei einer Einheit in Flussrichtung des Fluids vergrößert. Bei einem Übergang des Fluids von dem ersten Kanalabschnitt in den zweiten Kanalabschnitt kann eine Ausweitung der Phasengrenzfläche bewirkt werden. Um während einer solchen Ausweitung die räumliche Ausformung der Phasengrenze zu stabilisieren und eine homogene Ausbreitung des Fluids zu ermöglichen, kann der Verbindungsabschnitt, der auch als schwerkraftbasierter Grenzflächengeometriestabilisationskanal oder GFGS-Kanal bezeichnet werden kann, die Form einer Stufe aufweisen und insbesondere als eine sich ausweitende, annähernd trichterförmige Stufe ausgeformt sein. Es brauchen jedoch der erste und zweite Kanalabschnitt nicht zwingend in einem Winkel oder einer Stufe zueinander, also kantig zueinander, angeordnet sein. Vielmehr kann auch eine bogenförmige oder rundliche Führung des Fluids in dem Verbindungsabschnitt von dem ersten zu dem zweiten Kanalabschnitt vorgesehen sein, sodass der erste und zweite Kanalabschnitt versetzt zueinander ausgerichtet sind. Es sollte jedoch eine Änderung der Flussrichtung des Fluids in Bezug auf die Richtung des Gravitationsfeldes bei einer Passage des Fluids von dem ersten Kanalabschnitt zu dem zweiten Kanalabschnitt erfolgen, sodass sich eine Grenzfläche, insbesondere eine Phasengrenzfläche des Fluids bei der Passage von dem ersten zu dem zweiten Kanalabschnitt in Bezug zu dem Gravitationsfeld neu ausrichten kann. Bei der Grenzfläche oder Phasengrenzfläche handelt es sich vorzugsweise um die Oberfläche des Fluids, welche sich zwischen den Wänden der Kanalabschnitte beziehungsweise des Verbindungsabschnitts erstreckt und das Fluid in Bezug auf eine weiteres Fluid, beispielsweise Luft im Abschnitt, abgrenzt. Damit kann das Gravitationsfeld vorteilhafterweise für eine zusätzliche Stabilisierung der Phasengrenzfläche des Fluids sorgen und insbesondere eine durch eine Aufweitung des Kanals oder Verbindungsabschnitts bedingte Reduzierung der Stabilität der Phasengrenzfläche zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig ausgleichen. Wie oben beschrieben, ist unter der Stabilität der Grenzfläche vorzugsweise die Ausformung einer ebenen Grenzfläche mit einer Abrundung zu den Wänden der Kanalabschnitte beziehungsweise den Wänden des Verbindungsabschnitts zu verstehen. In besonderer Ausgestaltung kann eine Aufweitung des Kanals und der Phasengrenzfläche des Fluids vor Verwinkelung bzw. dem Versatz zumindest beginnen und ist bevorzugt vor dem Ende der Verwinkelung bzw. des Versatzes abgeschlossen. Die Aufweitung und Verwinkelung bzw. der Versatz brauchen insbesondere nicht deckungsgleich zu sein. Der erste Kanalabschnitt und der zweite Kanalabschnitt können auf zwei unterschiedlichen, zueinander parallelen Ebenen innerhalb der Vorrichtung angeordnet sein. Hierbei kann der Verbindungsabschnitt einen Abstand bzw. eine Höhe bzw. Höhendifferenz zwischen diesen Ebenen überbrücken und in einem vorgegebenen Winkel oder Winkelbereich zu den Feldlinien des Gravitationsfeldes ausgerichtet sein, wobei das Erdgravitationsfeld eine Schwerebeschleunigung von ca. 9.81 m/s² aufweist. Die Ausrichtung kann beispielsweise in einem Winkel zwischen 0° und 45° erfolgen, beispielsweise in einem Winkel von 30°. Hierbei kann beispielsweise diese Ausrichtung als ein Winkel zwischen einer Längserstreckung des Verbindungsabschnitts und somit einer vorgesehenen Flussrichtung des Fluids in Bezug zu der Richtung des Gravitationsfeldes verstanden werden. Vorteilhafterweise ermöglicht eine solche Ausformung und Ausrichtung eine kontrollierte räumliche Verteilung des Fluids, beziehungsweise eine räumlich homogene Aufweitung der Phasengrenzfläche. In besonders vorteilhafter Weise kann beim Durchlaufen des geeignet zum Gravitationsfeld der Erde ausgerichteten Verbindungsabschnitts eine geometrische Stabilisierung der Phasengrenzfläche des Fluids erreicht werden. Anschließend kann eine räumlich homogene Benetzung des zweiten Kanalabschnitts erfolgen. Die Vorrichtung erlaubt also eine räumliche Stabilisierung der Geometrie einer Phasengrenzfläche, wobei auf die Verwendung von auf Kapillarkräften basierenden Strukturen wie Phaseguides oder geometrisch komplexe mikrofluidische Verteilstrukturen verzichtet werden kann. Die Vorrichtung ist dadurch vergleichsweise besonders einfach, in kompakter Weise und kostengünstig herstellbar.
Gemäß einer Ausführungsform kann mindestens eine Abmessung der zweiten Querschnittsfläche in einem vordefinierten Verhältnis zu einer Kapillarlänge des Fluids stehen. Der zweite Kanalabschnitt und insbesondere der Verbindungsabschnitt zwischen dem ersten und dem zweiten Kanalabschnitt kann zum Beispiel über eine laterale Abmessung in wenigstens einer räumlichen Dimension verfügen, die hinreichend groß sein kann, sodass eine hier vorliegende Zweiphasengrenzfläche eine räumliche Ausdehnung annehmen kann, bei der Gravitations- und Volumenkräfte die auf das Fluid wirkenden Kapillarkräfte übersteigen können. Insbesondere kann die Ausformung der Zweiphasengrenzfläche innerhalb des zweiten Kanalabschnitts durch das vorliegende Flussprofil und ferner durch fertigungsbedingte Toleranzen oder das Auftreten von Pinning-Effekten an strukturellen oder chemischen Oberflächendefekten bestimmt werden. Die räumliche Dimensionierung kann dabei von den verwendeten Fluiden, deren Dichte und den vorliegenden Oberflächenenergien abhängen. Als Anhaltspunkt für eine minimale laterale Dimensionierung der zweiten Querschnittsfläche kann die sogenannte Kapillarlänge l_kap = √(γ/(ρg)) herangezogen werden, welche den Übergang von dem durch Kapillar- und Oberflächenkräfte in das durch Gravitations- und Volumenkräfte dominierte Regime beschreiben kann. Für Wasser beträgt die Kapillarlänge bei 20°C beispielsweise l_kap = 2.7 mm bei einer Oberflächenenergie von γ = 0.073 J/mm², einer Dichte von ρ = 10³ kg/m³ und bei einer Erdgravitationskraft von g = 9.81 kg/(ms²). Die Kapillarlänge ist definiert durch die Quadratwurzel des Quotienten aus der Oberflächenenergie und dem Produkt der Dichte und der Erdgravitationskraft bzw. Erdbeschleunigung. Vorteilhafterweise kann somit eine besonders gute schwerkraftbasierte geometrische Stabilisierung der Zweiphasengrenzfläche beim Durchlaufen des Verbindungsabschnitts Fluidkanals erzielt werden. Die Ausgestaltung des Verbindungsabschnitts kann zudem auf das zu prozessierende Fluid abgestimmt werden, wodurch eine hohe Zuverlässigkeit bei der Einbringung des Fluids in den zweiten Kanalabschnitt ermöglicht wird. Auf diese Weise kann eine räumlich homogene Benetzung des zweiten Kanalabschnitts erreicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Abmessung der zweiten Querschnittsfläche einer Kanalbreite des Fluidkanals entsprechen. Beispielsweise kann eine Fließrichtung des Fluids vom ersten Kanalabschnitt durch den Verbindungsabschnitt zum zweiten Kanalabschnitt führen, wobei die Kanalbreite einer lateralen Aufweitung des zweiten Kanalabschnitts in Bezug auf die Fließrichtung entsprechen kann. Somit kann ein besonders homogener Fluss und insbesondere eine gleichmäßige Propagation von Phasengrenzflächen in der Vorrichtung erzielt werden. Vorteilhafterweise kann die Vorrichtung dadurch in besonders kompakter Weise realisiert werden, wodurch sie besonders einfach fertigbar sein kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Verbindungsabschnitt eine Verbindungsquerschnittsfläche aufweisen, welche größer als die zweite Querschnittsfläche sein kann. Beispielsweise kann der Verbindungsabschnitt eine vergrößerte Verbindungsquerschnittsfläche von zum Beispiel 1,0 × 8,0 mm² aufweisen, um vorteilhafterweise eine besonders effiziente schwerkraftbasierte Stabilisation der Geometrie der Zweiphasengrenzfläche in dem Verbindungsabschnitt zu erzielen. Durch eine Vergrößerung der Querschnittsfläche des Verbindungsabschnitts kann nämlich der Einfluss der dort wirkenden Kapillarkräfte gegenüber der Schwerkraft weiter verringert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im zweiten Kanalabschnitt eine Mehrzahl von Kavitäten zum Prozessieren des Fluids angeordnet sein. Beispielsweise kann im zweiten Kanalabschnitt eine mikrofluidische Komponente, zum Beispiel ein Mikrokavitäten-Array, zum Durchführen einer oder mehrerer Reaktionen unter Verwendung des Fluids angeordnet sein. Ein solches Array kann zum Beispiel über eine Mikrostrukturierung in Form von Mikrokavitäten verfügen, welche in das Substratmaterial der Komponente eingebracht sein können. Vorteilhafterweise kann mittels eines solchen Arrays beispielsweise eine Probenflüssigkeit auf verschiedene Charakteristiken hin getestet werden. Dabei kann mittels des Verbindungsabschnitts und durch die im Verbindungsabschnitt schwerkraftbasierte Stabilisation der Geometrie einer Phasengrenzfläche eine räumlich homogene Einbringung des Fluid über die gesamte Fläche mit den Kavitäten erreicht werden. Vorteilhafterweise kann so eine räumlich homogene Benetzung der Kavitäten optimiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der zweite Kanalabschnitt in einem Teilbereich für das Fluid anziehender ausgebildet sein als außerhalb des Teilbereichs. Der Teilbereich kann zum Beispiel, insbesondere im Vergleich zu einer Oberfläche des Fluidkanals außerhalb des Teilbereichs, eine stärker hydrophile Oberflächeneigenschaft aufweisen. Bedingt durch die hydrophile Oberfläche des Teilbereichs kann es zum Beispiel bei einem in Kontakttreten einer wässrigen Phase mit dem zweiten Kanalabschnitt zu einer durch Kapillarkräfte unterstützten Ausbreitung der Flüssigkeit in dem hydrophilen Teilbereich des zweiten Kanalabschnitts kommen. In diesem Fall eignet sich die hier vorgestellte Vorrichtung in besonders vorteilhafter Weise, um eine räumlich homogene Einbringung des Fluid in den zweiten Kanalabschnitt zu ermöglichen: Bevor die Flüssigkeit mit dem beispielsweise hydrophilen Teilbereich in Berührung kommen kann, kann nämlich durch den Verbindungsabschnitt bereits eine räumliche Aufweitung der Phasengrenzfläche erzielt werden. Auf diese Weise kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass das Fluid, beziehungsweise die Flüssigkeit, simultan entlang beispielsweise der gesamten Breite des zweiten Kanalabschnitts mit diesem in Kontakt treten kann. In der Folge kann eine räumlich homogene Benetzung des zweiten Kanalabschnitts begünstigt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die erste Querschnittsfläche eine Größe von 0,1 × 1,0 mm² bis 3,0 × 3,0 mm² aufweisen, insbesondere 0,3 × 0,3 bis 1,0 × 1,0 mm², und zusätzlich oder alternativ kann die zweite Querschnittsfläche eine Größe von 0,1 × 1,0 mm² bis 3,0 × 30,0 mm² aufweisen, insbesondere 0,3 × 3,0 bis 1,0 × 10,0 mm². Vorteilhafterweise können dadurch sowohl die erste Querschnittsfläche als auch die zweite Querschnittsfläche in ihrer Größe optimal an ein mikrofluidisches System angepasst werden.
Zudem wird ein Verfahren zum Herstellen einer Variante einer zuvor vorgestellten mikrofluidischen Vorrichtung vorgestellt, wobei das Verfahren einen Schritt des Bestimmens einer Kapillarlänge des Fluids umfasst, sowie einen Schritt des Ausformens des Fluidkanals, wobei mindestens eine Abmessung der zweiten Querschnittsfläche in einem minimalen vordefinierten Verhältnis zu einer Kapillarlänge des Fluids steht. Beispielsweise kann das Verhältnis einen Wert von mindestens 1 aufweisen, um eine effektive Stabilisierung der Grenzfläche zu erreichen.
Zudem wird ein Verfahren zum Betreiben einer Variante einer zuvor vorgestellten mikrofluidischen Vorrichtung vorgestellt, wobei das Verfahren einen Schritt des Anordnens der Vorrichtung bezüglich einer Gravitationskraft der Erde und einen Schritt des Einbringens des Fluids in den ersten Kanalabschnitt des Fluidkanals umfasst, um das Fluid über den Verbindungsabschnitt in den zweiten Kanalabschnitt zu leiten. Dabei kann im Schritt des Anordnens die Vorrichtung zum Beispiel in Bezug zur Gravitationskraft ausgerichtet oder in einer bezüglich der Gravitationskraft vorteilhaften Position fixiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann auch im Schritt des Anordnens ein Ausrichten der Vorrichtung in Abhängigkeit von einer Kapillarlänge des Fluids und einer Geometrie des Verbindungsabschnitts erfolgen. Durch die Ausnutzung der Information über die Kapillarlänge des Fluids und die Geometrie des Verbindungsabschnitts, hier speziell die Aufweitung, also beispielsweise dem Grad der Vergrößerung der Querschnittsfläche in dem Verbindungsabschnitt in einer Einheit in Fluidflussrichtung, kann somit eine Grenzfläche des Fluids stabil gehalten werden, sodass das Fluid zielgerichtet durch den Verbindungsabschnitt mit einer möglichst räumlich homogenen Geometrie der Grenzfläche in den zweiten Verbindungsabschnitt geleitet werden kann. Somit kann effektiv eine ebene Grenzfläche normal zum Gravitationsfeld mit abgerundetem Rand zu den Kanalwänden eingestellt werden. Dies hat den Vorteil wie oben auch beschrieben, dass bei entsprechender Ausrichtung der Vorrichtung im Erdschwerefeld eine wohldefinierte (Phasen-)Grenzfläche des Fluids auch bei einer Aufweitung einer Kanalbreite unter Ausnutzung der Gravitationskraft erhalten werden kann.
Zudem wird eine Verwendung einer Variante einer zuvor vorgestellten mikrofluidischen Vorrichtung in Verbindung mit mindestens einem Fluid vorgestellt, um das Fluid zu prozessieren.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Fluid Wasser, eine wässrige Lösung, Öl, Mineralöl, Silikonöl oder einen fluorierten Kohlenwasserstoff aufweisen. Die Funktionalität der Vorrichtung kann unter anderem in Zusammenhang mit einem Dichteunterschied stehen, welcher zwischen den die Phasengrenzfläche bildenden Fluiden vorliegt. Durch den beispielsweise bei Raumtemperatur besonders hohen Dichteunterschied zwischen Luft und Wasser kann in der Vorrichtung zum Beispiel eine besonders gute Stabilisierung der Oberfläche von wässrigen Lösungen erzielt werden. Ferner kann in der Vorrichtung eine besonders effiziente Stabilisierung der Phasengrenzfläche von Flüssigkeiten mit einer geringen Oberflächenspannung, wie beispielsweise fluorierten Kohlenwasserstoffe, erzielt werden. Durch die geringe Oberflächenspannung und die daraus resultierende kleine Kapillarlänge derartiger Flüssigkeiten kann eine schwerkraft-basierte Stabilisierung der Phasengrenzfläche bereits bei relativ kleinen Kanalquerschnitten in vorteilhafter Weise eingesetzt werden.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines der hier vorgestellten Verfahren in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Hierzu kann das Steuergerät 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 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.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät 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 des Steuergeräts 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.
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.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1A eine schematische Draufsicht auf eine mikrofluidische Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
1B eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel von zwei Kanalabschnitten ohne Verbindungsabschnitt;
2 einen schematischen Querschnitt eines Fluidkanals gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines Fluidkanals mit einem Mikrokavitäten-Array;
4 einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Fluidkanals mit einem Mikrokavitäten-Array
5 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen einer mikrofluidischen Vorrichtung:
6A ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung;
6B ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Steuergerätes zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung;
7 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines anderen Fluidkanals;
8 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines weiteren Fluidkanals;
9A eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer mikrofluidischen Vorrichtung;
9B eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer mikrofluidischen Vorrichtung;
9C eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer mikrofluidischen Vorrichtung;
9D eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer mikrofluidischen Vorrichtung;
9E eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer mikrofluidischen Vorrichtung;
9F eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer mikrofluidischen Vorrichtung;
10A eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer mikrofluidischen Vorrichtung;
10B eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer mikrofluidischen Vorrichtung;
10C eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer mikrofluidischen Vorrichtung;
10D eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer mikrofluidischen Vorrichtung;
10E eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer mikrofluidischen Vorrichtung;
10F eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer mikrofluidischen Vorrichtung;
10G eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer mikrofluidischen Vorrichtung;
10H eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer mikrofluidischen Vorrichtung;
10I eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer mikrofluidischen Vorrichtung;
10J eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer mikrofluidischen Vorrichtung;
11A eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer Flusszelle;
11B eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer Flusszelle;
11C eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer Flusszelle;
11D eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer Flusszelle;
11E eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer Flusszelle;
12A eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer in einer weiteren Vorrichtung;
12B eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer in einer weiteren Vorrichtung;
12C eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer in einer weiteren Vorrichtung;
12D eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer in einer weiteren Vorrichtung;
12E eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer in einer weiteren Vorrichtung;
12F eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer in einer weiteren Vorrichtung;
12G eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer in einer weiteren Vorrichtung;
12H eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays in einer in einer weiteren Vorrichtung;

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.
1A zeigt eine schematische Draufsicht auf eine mikrofluidische Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung weist einen Fluidkanal 105 zum Führen eines Fluids 110 auf, wobei der Fluidkanal 105 einen ersten Kanalabschnitt 115 mit einer ersten Querschnittsfläche 120 und einen zweiten Kanalabschnitt 125 mit einer zweiten Querschnittsfläche 130 umfasst. Dabei ist die zweite Querschnittsfläche 130 größer ausgeformt als die erste Querschnittsfläche 120. In diesem Ausführungsbeispiel weist die erste Querschnittsfläche 120 insbesondere Abmessungen von 0,4 × 0,6 mm² auf und die zweite Querschnittsfläche 130 weist insbesondere Abmessungen von 0,4 × 8,0 mm² auf. In anderen Ausführungsbeispielen können die Abmessungen der ersten Querschnittsfläche 120 beispielsweise in einem Bereich von 0,1 × 0,1 mm² bis 3,0 × 3,0 mm² liegen und die Abmessungen der zweiten Querschnittsfläche 130 beispielsweise in einem Bereich von 0,1 × 1,0 mm² bis 3,0 × 30,0 mm² liegen.
Zwischen dem ersten Kanalabschnitt 115 und dem zweiten Kanalabschnitt 125 ist ein Verbindungsabschnitt 135 angeordnet, der auch als schwerkraftbasierter Grenzflächengeometriestabilisationskanal oder GFGS-Kanal bezeichnet werden kann. Der Verbindungsabschnitt 135 weist seitens bzw. auf Seiten des ersten Kanalabschnitts 115 die gleiche Größe bzw. Querschnittsfläche auf wie die erste Querschnittsfläche 120, also lediglich beispielhaft 0,4 × 0,6 mm². Der Verbindungsabschnitt 135 vergrößert sich in diesem Ausführungsbeispiel trichterförmig, sodass er seitens des zweiten Kanalabschnitts 125 die gleiche Größe bzw. eine Verbindungsquerschnittsfläche 137 aufweist die der zweiten Querschnittsfläche 130 entspricht, also lediglich beispielhaft 0,4 × 8,0 mm² aufweist. In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist ausschließlich der Verbindungsabschnitt eine vergrößerte Verbindungsquerschnittsfläche auf, also lediglich beispielhaft 1,0 × 8,0 mm², um eine besonders effiziente schwerkraftbasierte Stabilisation der Geometrie der Zweiphasengrenzfläche in dem Verbindungsabschnitt zu erzielen. Durch eine Vergrößerung der Querschnittsfläche des Verbindungsabschnitts kann nämlich der Einfluss der dort wirkenden Kapillarkräfte gegenüber der Schwerkraft weiter verringert werden. In anderen Ausführungsbeispielen können die Abmessungen des Verbindungsabschnitts 135 in einem Bereich von 0,1 × 1,0 mm² bis 3,0 × 30,0 mm² liegen. Zudem ist der Verbindungsabschnitt 135 relativ zu dem ersten Kanalabschnitt 115 und dem zweiten Kanalabschnitt 125 stufenförmig gewinkelt angeordnet. Alternativ kann der Verbindungsabschnitt auch in einer Bogenform von dem ersten Kanalabschnitt 115 zu dem zweiten Kanalabschnitt 125 ausgeführt sein. Dabei sind insbesondere der erste Kanalabschnitt 115 und der zweite Kanalabschnitt 125 versetzt zueinander angeordnet. Auf diese Weise kann eine Grenzfläche eines Fluids, welches durch einen derart geformten Verbindungsabschnitt 135 geführt wird, sehr effizient neu ausgerichtet und stabilisiert werden. Prinzipiell kann somit auch eine Rampe statt einer Stufe in Frage kommen, die auch als generell paralleler Versatz der Kanäle verstanden werden kann, um das Gravitationsfeld für eine Stabilisierung stärker wirken zu lassen.
In einem Ausführungsbeispiel ist der Verbindungsabschnitt 135 in einem Winkel von 30° zu einer Richtung einer Gravitationskraft 140 der Erde angeordnet. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Ausrichtung beispielsweise in einem Winkel zwischen 0° und 45° erfolgen. Mit anderen Worten ist der Verbindungsabschnitt 135 geeignet zu einem Gravitationsfeld ausgerichtet, in der Art, dass eine nicht-verschwindende Komponente des Gravitationsfeldes in Richtung des Verbindungsabschnitts 135 vorhanden ist. Ferner verfügt der Verbindungsabschnitt 135 über eine laterale Abmessung in wenigstens einer räumlichen Dimension, die hinreichend groß ist, sodass entlang dieser Richtung die Gravitationskraft 140 die auf das Fluid 110 wirkenden Kapillarkräfte innerhalb des Fluidkanals 105 übersteigt. Der Verbindungsabschnitt 135 umfasst also eine Aufweitung einer flüssigkeitsführenden Struktur in zumindest einer lateralen Dimension.
Bei einem Bewegen des Fluids 110 durch zunächst den ersten Kanalabschnitt 115 und anschließend durch den Verbindungsabschnitt 135 wird eine geometrische Stabilisierung der Phasengrenzfläche 145 des Fluids 110 erreicht, in der Weise, dass anschließend eine räumlich homogene Benetzung des zweiten Kanalabschnitts 125, der auch als zweiter Kanal bezeichnet werden kann, erfolgt. Der zweite Kanalabschnitt 125 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine laterale Dimension auf, die größer als die Kapillarlänge des Fluides 110 ist, mit dem die Benetzung erfolgt, um insbesondere in dem Verbindungsabschnitt 135 eine besonders gute, schwerkraftbasierte, geometrische Stabilisierung der Zweiphasengrenzfläche beim Durchlaufen des Fluidkanals 105 zu erzielen. Der zweite Kanalabschnitt 125 kann ferner auch als Flusszelle bezeichnet werden, insbesondere wenn die zweite Querschnittsfläche 130 groß gewählt ist und eine räumliche homogene Benetzung und gegebenenfalls die Ausbildung eines räumlich homogenen Flussprofils in dieser Flusszellenstruktur erzielt wird. Die schwerkraftbasierte, geometrische Stabilisierung der Phasengrenzfläche 145 erfolgt insbesondere beim Durchlaufen des Verbindungsabschnitts 135. Lediglich optional weist der zweite Kanalabschnitt 125 eine nicht-senkrechte Ausrichtung zu einem Gravitationsfeld auf, um auch während des Durchschreitens des zweiten Kanalabschnitts 125 eine Stabilisierung der Geometrie der Zweiphasengrenzfläche zu erreichen. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Verbindungsabschnitt in einem Winkel von 30° zum Gravitationsfeld ausgerichtet sein und der zweite Kanalabschnitt in einem Winkel von 60°. Zusätzlich kann der Verbindungsabschnitt eine vergrößerte Querschnittsfläche von 1,0 × 8,0 mm² im Vergleich zu dem zweiten Kanalabschnitt mit einer Querschnittsfläche von 0,4 × 8,0 mm² aufweisen. Auf diese Weise kann insbesondere in dem Verbindungsabschnitt eine besonders effiziente und robuste Stabilisierung der Geometrie der Zweiphasengrenzfläche erzielt werden, wohingegen im zweiten Kanalabschnitt lediglich eine abgeschwächte Wirkung erzielt werden kann.
1B zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel von zwei Kanalabschnitten 115, 125 ohne einen Verbindungsabschnitt. Die Kanalabschnitte 115 und 125 sind Teil einer mikrofluidischen Vorrichtung, die der Vorrichtung aus 1A entspricht oder ähnelt. Auf der linken Seite der Figur ist ein mikrofluidischer erster Kanalabschnitt 115 mit einer Querschnittsfläche 120 angeordnet, in dem sich der Meniskus einer Phasengrenzfläche 145 eines Fluids 110 fortbewegt. Der erste Kanalabschnitt 115 weist eine räumliche Dimension einer ersten Querschnittsfläche 120 auf, die lediglich beispielhaft weniger als 1 mm beträgt, sodass bei dem in diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Fluid 110 eine kapillare Stabilisierung der Grenzflächengeometrie erzielbar ist. Auf der rechten Seite der Figur ist ein mikrofluidischer zweiter Kanalabschnitt 125, oder eine Flusszelle, angeordnet, welcher eine laterale räumliche Dimension einer zweiten Querschnittsfläche 130 aufweist, die lediglich beispielhaft im Bereich von mehreren Millimetern liegt. Bei der Propagation der Phasengrenzfläche 145 in diesem Kanal ist die durch Kapillar- und Oberflächenkräfte bewirkte Formung der Grenzflächengeometrie beispielsweise vernachlässigbar. Die räumliche homogene Ausformung der Phasengrenzfläche wird hier insbesondere durch das vorliegende Flussprofil bestimmt. Es ist vorteilhaft, dass nach der Aufweitung des Fluidkanals 105 eine räumlich homogene Ausbreitung der Flüssigkeit erfolgt.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Fluidkanals 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Fluidkanal 105 entspricht oder ähnelt dem Fluidkanal aus 1A. Korrespondierend zu dem in 1A beschriebenen Ausführungsbeispiel umfasst der Fluidkanal 105 einen ersten Kanalabschnitt 115, einen zweiten Kanalabschnitt 125 und einen den ersten Kanalabschnitt 115 und den zweiten Kanalabschnitt 125 verbindenden Verbindungsabschnitt 135. In diesem Ausführungsbeispiel sind der erste Kanalabschnitt 115 und der zweite Kanalabschnitt 125 versetzt zueinander bzw. in unterschiedlichen, zueinander parallelen Ebenen angeordnet, wobei der Verbindungsabschnitt 135 als Stufe oder als Verbindungsbogen zwischen dem ersten Kanalabschnitt 115 und dem zweiten Kanalabschnitt 125 ausgeformt ist, insbesondere wobei der erste Kanalabschnitt 115 und der zweite Kanalabschnitt 125 versetzt zueinander angeordnet sind. Der Querschnitt verdeutlicht, dass in dem hier gezeigten beispielhaften Ausführungsbeispiel des Fluidkanals 105 die Aufweitung der Phasengrenzfläche 145 des zu prozessierenden Fluids nur in einer lateralen räumlichen Dimension erfolgt, wie es in 1A dargestellt ist.
Mit anderen Worten lässt sich der Fluidkanal 105 wie folgt beschreiben: Der Fluidkanal 105 umfasst einen Verbindungsabschnitt 135, beziehungsweise einen mikrofluidischen, schwerkraftbasierten Grenzflächengeometriestabilisationskanal (GFGS-Kanal). Bei dem schwerkraftbasierten GFGS-Kanal handelt es sich um eine Einrichtung für die Stabilisation wenigstens einer Phasengrenzfläche 145 unter Ausnutzen einer auf das Fluid 110 wirkenden Schwerkraft und insbesondere unter Ausnutzen eines Dichteunterschieds zwischen den die Phasengrenzfläche 145 bildenden Medien. Der Verbindungsabschnitt 135 ist geeignet zu dem Erdgravitationsfeld 140 ausgerichtet, beziehungsweise geeignet zu einem nahezu kugelförmigen Massenkörper mit sehr großer Masse und vorgegebenem Massenschwerpunkt. Zudem weist der Verbindungsabschnitt 135 eine erste Anbindung 200 an einen Zulaufkanal zum Zuführen wenigstens einer Flüssigkeit zu dem GFGS-Kanal auf, sowie eine Anbindung 205 an einen zweiten Kanal oder eine Flusszelle, welche an der Schnittstelle zu dem GFGS-Kanal räumlich homogen mit der wenigstens einen Flüssigkeit benetzbar ist. Der Verbindungsabschnitt 135 zeichnet sich ferner dadurch aus, dass die Anbindung 205 an den zweiten Kanal oder die Flusszelle in wenigstens einer räumlichen Dimension Ausmaße annimmt, welche in der Größenordnung oder oberhalb der Kapillarlänge für wenigstens ein verwendetes Fluid 110 liegen.
3 zeigt eine schematische Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines Fluidkanals 105 mit einem Mikrokavitäten-Array 300. Der Fluidkanal 105 entspricht oder ähnelt dem Fluidkanal aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren. Das Mikrokavitäten-Array 300 ist in diesem Ausführungsbeispiel innerhalb des zweiten Kanalabschnitts 125 angeordnet und umfasst eine Mehrzahl von Kavitäten 305 zum Prozessieren eines Fluids. Dabei weist das Mikrokavitäten-Array 300, das auch als zusätzliche Komponente bezeichnet werden kann, lediglich beispielhaft eine Oberflächenbeschaffenheit auf, welche hydrophiler als die Beschaffenheit der Kanaloberfläche 310 außerhalb des Mikrokavitäten-Arrays 300 ist.
Das Mikrokavitäten-Array 300 ist lediglich beispielhaft zunächst räumlich homogen und in der Dimension senkrecht zu der Kanalrichtung mit einer wässrigen Flüssigkeit, beispielsweise einer Probenflüssigkeit, und anschließend räumlich homogen mit einer weiteren Flüssigkeit benetzbar. Dabei ist die weitere Flüssigkeit in diesem Ausführungsbeispiel nicht mit der wässrigen Flüssigkeit mischbar und weist lediglich beispielhaft ein anderes Benetzungsverhalten sowie eine höhere Dichte auf. Der um das Mikrokavitäten-Array 300 befindliche zweite Kanalabschnitt 125 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Höhe auf, die so gering ist, dass Kapillarkräfte bei der Benetzung des Mikrokavitäten-Arrays 300 eine signifikante Rolle spielen. Ferner verfügt das Mikrokavitäten-Array 300 in dieser Ausführungsform über eine Mikrostrukturierung in Form von Mikrokavitäten, welche in das Substratmaterial des Mikrokavitäten-Arrays 300 eingebracht sind. Erfolgt die Ausrichtung der in 1A, 2 bzw. 3 beschriebenen Vorrichtung zu einer Richtung einer Gravitationskraft 140 in einem festgelegten Winkel, wie beispielsweise 30°, dann ist die parallel zu der Flussrichtung des Verbindungsabschnitts 135 vorliegende Komponente des Gravitationsfeldes für eine schwerkraftbasierte Stabilisierung der Phasengrenzflächengeometrie einsetzbar.
4 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Fluidkanals 105 mit einem Mikrokavitäten-Array 300. Der Fluidkanal 105 entspricht oder ähnelt dem Fluidkanal aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren, insbesondere 3. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Mikrokavitäten-Array 300 in den zweiten Kanalabschnitt 125 eingebettet, wobei die Kavitäten 305 in einer Ebene mit der Kanaloberfläche 310 abschließen. Der Verbindungsabschnitt 135 ist in diesem Ausführungsbeispiel stufenförmig ausgeformt und in einem vordefinierten Winkel 400 von lediglich beispielhaft 30° zu einer Richtung einer Gravitationskraft 140 der Erde angeordnet. Denkbar ist jedoch auch eine bogenförmige Führung des Verbindungsabschnitts 135 zwischen dem ersten Kanalabschnitt 115 und dem zweiten Kanalabschnitt 125. Dabei ist eine in dieser Darstellung nicht erkennbare laterale Ausweitung des Verbindungsabschnitts 135 in Richtung des zweiten Kanalabschnitts 125 gegeben. In diesem Ausführungsbeispiel stellt die im Vergleich zur Kanaloberfläche 310 stärkere Hydrophilität des Mikrokavitäten-Arrays 300 eine Herausforderung für die räumlich homogene Benetzung des zweiten Kanalabschnitts 125 mit einer wässrigen Flüssigkeit dar. Bedingt durch die hydrophile Oberfläche der Komponente ist bei einem in Kontakt treten einer wässrigen Phase mit dem Mikrokavitäten-Array 300 ein durch Kapillarkräfte unterstütztes Ausbreiten der Flüssigkeit auf dem Mikrokavitäten-Array 300 möglich. Um dennoch eine räumlich homogene Aufweitung der Phasengrenzfläche über die gesamte Breite der Flusszelle hinweg sicherzustellen, eignet sich der Verbindungsabschnitt 135 in besonders vorteilhafter Weise. Bevor eine Flüssigkeit mit dem hydrophilen Mikrokavitäten-Array 300 in Berührung kommt, wurde bereits eine räumliche Aufweitung der Phasengrenzfläche erzielt. Auf diese Weise ist ein in Kontakt treten eines Fluids entlang der gesamten Breite des Mikrokavitäten-Arrays 300 erreichbar.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 500 zum Herstellen einer mikrofluidischen Vorrichtung, wie sie in 1A beschrieben wurde. Das Verfahren 500 umfasst einen Schritt 505 des Bestimmens einer Kapillarlänge des Fluids und einen Schritt 510 des Ausformens des Fluidkanals, wobei mindestens eine Abmessung der zweiten Querschnittsfläche in einem vordefinierten Verhältnis zu einer Kapillarlänge des Fluids steht.
6A zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 600 zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung, wie sie in 1A beschrieben wurde. Das Verfahren 600 umfasst einen Schritt 605 des Anordnens der Vorrichtung bezüglich einer Gravitationskraft der Erde und einen Schritt 610 des Einbringens eines Fluids in den ersten Kanalabschnitt des Fluidkanals, um das Fluid über den Verbindungsabschnitt in den zweiten Kanalabschnitt zu leiten.
Das Verfahren 600 kann auch wie folgt beschrieben werden. Im ersten Schritt des Verfahrens 600 bzw. im Schritt 605 des Anordnens erfolgt ein Ausrichten und/oder Fixieren der Vorrichtung relativ zu einem Gravitationsfeld. Insbesondere kann die Ausrichtung der Vorrichtung in einem vorgegebenen Winkel oder Winkelbereich zu der Wirkrichtung des Gravitationsfeldes erfolgen. Durch die gewählte Anordnung wird die Kraftkomponente des Gravitationsfeldes, welche parallel zu dem Verbindungsabschnitt der Vorrichtung verläuft, eingesetzt, um eine schwerkraft-basierte Stabilisation der Phasengrenzflächengeometrie in der Vorrichtung zu erzielen. Im zweiten Schritt des Verfahrens 600 bzw. im Schritt 610 des Einbringens erfolgt die Einbringung einer Flüssigkeit und damit die Einbringung einer Phasengrenzfläche über den ersten Kanalabschnitt. Anschließend erfolgt ein Austreten der im zweiten Schritt 610 eingebrachten Flüssigkeit und der Phasengrenzfläche aus der Vorrichtung über den zweiten Kanalabschnitt.
Die einzelnen Schritte 605, 610 des Verfahrens 600 werden in diesem Ausführungsbeispiel sequentiell nacheinander ausgeführt. In einem alternativen Ausführungsbeispiel können die Schritte 605, 610 mehrfach, das heißt wenigstens jeweils zweifach, ausgeführt werden. Gemäß einer solchen Ausführungsform des Verfahrens kann bei der ersten Ausführung der Schritte eine erste Flüssigkeit in der Vorrichtung prozessiert werden und bei der zweiten Ausführung der Schritte eine weitere Flüssigkeit, welche insbesondere nicht oder nur geringfügig mit der ersten Flüssigkeit mischbar sein kann, sodass eine weitere Phasengrenzfläche zwischen den beiden Flüssigkeiten vorliegen kann. Dabei kann die erste Flüssigkeit beispielsweise eine geringere Dichte aufweisen als die zweite Flüssigkeit.
6B zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Steuergerätes 650 zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einer hier vorgestellten Variante. Das Steuergerät 650 ist ausgebildet, um das Verfahren aus 6A oder ein ähnliches Verfahren auszuführen bzw. eine Ausführung desselben zu bewirken. Das Steuergerät 650 umfasst eine Einheit 655 zum Ansteuern eines Anordnens der Vorrichtung bezüglich einer Gravitationskraft der Erde. Ferner umfasst das Steuergerät 650 eine Einheit 660 zum Ansteuern eines Einbringens eines Fluids in den ersten Kanalabschnitt des Fluidkanals, um das Fluid über den Verbindungsabschnitt in den zweiten Kanalabschnitt zu leiten.
7 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines anderen Fluidkanals 700 mit einer Verästelungsstruktur 705. Die in diesem Ausführungsbeispiel dargestellte Verästelungsstruktur 705 entspricht dem Stand der Technik. Dabei wird der Fluss innerhalb des anderen Fluidkanals 700 in symmetrischer Weise auf eine Vielzahl von Mikrokanälen aufgeteilt, welche dann in einen gemeinsamen Kanal 710 münden. Auf Basis der gleichen Flusswiderstände und zu benetzenden Flächen in den einzelnen Ästen der Verästelungsstruktur 705 erfolgt damit eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit auf die einzelnen Äste. Allerdings erfordern derartige Strukturen konzeptbedingt eine besonders hohe Präzision bei der Fertigung, insbesondere wenn eine möglichst homogene Verteilung einer Flüssigkeit erreicht werden soll. Ansonsten kann es durch die räumliche Diskretisierung des Flusses bei der Verteilung auf den Kanal 710 zu räumlichen Inhomogenitäten des Flussprofils und zu Deformationen von Phasengrenzflächen bei dem Wiedervereinigen der aus den Ästen austretenden Flüssigkeitsströme kommen. Ferner können auch fertigungsbedingte Unregelmäßigkeiten in der Kanalgeometrie die Homogenität bei der räumlichen Verteilung einer Flüssigkeit mittels einer Verästelungsstruktur kritisch beeinträchtigen.
8 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines weiteren Fluidkanals 800. In diesem Ausführungsbeispiel ist die schrittweise erfolgende Aufweitung einer Phasengrenzfläche 145 unter Ausnutzung von Phaseguides 805 nach dem Stand der Technik dargestellt. Bei den hier gezeigten Phaseguides 805 handelt es sich um vorgegebene Kanalverjüngungen entlang derer eine Ausrichtung der Phasengrenzfläche 145 erfolgt. Die Phaseguides 805 erlauben eine Kontrolle über die räumliche Ausformung einer Phasengrenzfläche 145. Jedoch bedingt die Implementierung von Phaseguides 805 in eine mikrofluidische Struktur unter Umständen einen höheren Fertigungsaufwand. Ferner sind die Phaseguides 805 bei der Auswertung optischer Signale unter Umständen störend, da an diesen das Licht gebrochen wird. Außerdem ist der Übertritt einer Phasengrenzfläche über einen Phaseguide lediglich an einzelnen diskreten Punkten kontrolliert induzierbar, wobei eine kontrollierte räumliche Propagation einer Phasengrenzfläche in den Bereichen hinter einem Phaseguide beziehungsweise zwischen zwei Phaseguides nicht ohne Weiteres sichergestellt werden kann.
9A zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer mikrofluidischen Vorrichtung, wie sie in 1A beschrieben wurde. In der hier gezeigten Darstellung ist das Mikrokavitäten-Array 300 vor der Benetzung mit einer Flüssigkeit gezeigt. Der Skalierungsbalken 900 entspricht lediglich beispielhaft einer Länge von 2 mm. Der neben dem Mikrokavitäten-Array 300 angeordnete Verbindungsabschnitt 135 hat die Form eines vertikal orientierten Langlochs, welches sich in der linken Hälfte der Figur befindet. Das Mikrokavitäten-Array 300 ist in Teilen auf der rechten Hälfte der Figur zu erkennen und verfügt über eine Anordnung von Kavitäten 305, die auch als Mikrokavitäten bezeichnet werden können.
9B zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer mikrofluidischen Vorrichtung, wie sie in 1A beschrieben wurde. Die Darstellung in 9B ähnelt der Darstellung in 9A. Die Figur zeigt eine Benetzung des Verbindungsabschnitts 135 mit einer wässrigen Lösung 905, welche in diesem Ausführungsbeispiel mit einem Fluoreszenz-Farbstoff (Fluorescein) angefärbt ist. Durch die schwerkraftbasierte Stabilisation der Geometrie der Phasengrenzfläche wird eine räumlich homogene Benetzung über die gesamte Breite des Verbindungsabschnitts 135 von lediglich beispielhaft 6 mm hinweg erreicht, bevor ein Übertreten der wässrigen Phase auf das Mikrokavitäten-Array 300 erfolgt.
9C zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer mikrofluidischen Vorrichtung, wie sie in 1A beschrieben wurde. Die Darstellung in 9C ähnelt der Darstellung in 9B. Die Figur zeigt das Übertreten der wässrigen Lösung 905 auf das Mikrokavitäten-Array 300. Das Übertreten erfolgt insbesondere räumlich homogen und nahezu simultan entlang der gesamten Breite des Verbindungsabschnitts 135.
9D zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer mikrofluidischen Vorrichtung, wie sie in 1A beschrieben wurde. Die Darstellung in 9D ähnelt der Darstellung in 9C. Die Figur zeigt die Benetzung des Verbindungsabschnitts 135 mit einer weiteren transluzenten Phase 910, bei der es sich lediglich beispielhaft um einen fluorierten Kohlenwasserstoff handelt, welcher eine höhere Dichte aufweist als die wässrige Lösung. Dabei ist die weitere transluzente Phase 910 nicht mit der wässrigen Lösung mischbar. Auf diese Weise wird erneut eine räumlich homogene Benetzung des Verbindungsabschnitts 135 mit der zweiten Phase erzielt. Die angefärbte wässrige Lösung ist vollständig aus dem Verbindungsabschnitt 135 verdrängt.
9E zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer mikrofluidischen Vorrichtung, wie sie in 1A beschrieben wurde. Die Darstellung in 9E ähnelt der Darstellung in 9D. Die Figur zeigt das Übertreten der weiteren transluzenten Phase 910 auf das Mikrokavitäten-Array 300. Auch hierbei ist aufgrund der Stabilisierung der Grenzflächengeometrie durch den Verbindungsabschnitt 135 ein räumlich homogenes Übertreten der Phasengrenzfläche auf das Mikrokavitäten-Array 300 ermöglicht. Infolgedessen ist eine zuverlässige Überschichtung des Mikrokavitäten-Arrays 300 ermöglicht und die zuvor eingebrachte wässrige Lösung wird von der weiteren transluzenten Phase 910 aus der Flusszelle verdrängt. Dadurch ist eine Erzeugung von voneinander getrennten Aliquots der wässrigen Lösung in den einzelnen Kavitäten 305 möglich.
9F zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer mikrofluidischen Vorrichtung, wie sie in 1A beschrieben wurde. Der Skalierungsbalken 900 entspricht lediglich beispielhaft einer Länge von 1 mm. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Kavitäten 305 durch eine geeignete Beschaffenheit des Mikrokavitäten-Arrays 300 mit der in den 9B, 9C und 9D beschriebenen wässrigen Lösung befüllt sowie mit der in den 9D und 9E beschriebenen weiteren transluzenten Phase überschichtet. Die auf diese Weise in den Mikrokavitäten erzeugten Flüssigkeitskompartimente sind in einem nächsten Schritt beispielsweise dazu nutzbar, um darin voneinander unabhängige Nachweisreaktionen durchzuführen.
10A zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer mikrofluidischen Vorrichtung, wie sie in 1A beschrieben wurde. Die Figur zeigt einen Zustand vor einem Einbringen von Flüssigkeit. Der Verbindungsabschnitt 135, über welchen die Einbringung von Flüssigkeiten in den zweiten - hier beispielsweise als Flusszelle ausgeformten - Kanalabschnitt erfolgt, ist auf der linken Seite der Figur dargestellt. Der Skalierungsbalken 1000 entspricht lediglich beispielhaft einer Länge von 2 mm.
10B zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer mikrofluidischen Vorrichtung, wie sie in 1A beschrieben wurde. Die Darstellung in 10B ähnelt der Darstellung in 10A. In der hier gezeigten Darstellung ist der Verbindungsabschnitt 135 mit der wässrigen Phase 1005 gefüllt. Es erfolgt eine gleichmäßige, räumlich homogene Benetzung über die gesamte Breite des Kanals, ohne dass die Flüssigkeit mit dem hydrophilen Mikrokavitäten-Array-Chip in Kontakt tritt.
10C zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer mikrofluidischen Vorrichtung, wie sie in 1A beschrieben wurde. Die Darstellung in 10C ähnelt der Darstellung in 10B. Das Mikrokavitäten-Array 300 ist teilweise mit der wässrigen Phase 1005 benetzt, wobei die Benetzung die gesamte Breite des Anordnungsbereiches der Kavitäten 305 betrifft.
10D zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer mikrofluidischen Vorrichtung, wie sie in 1A beschrieben wurde. Die Darstellung in 10D ähnelt der Darstellung in 10C. Das Mikrokavitäten-Array 300 ist im in der Teilansicht gezeigten Bereich beinahe vollständig mit der wässrigen Phase 1005 benetzt. Durch ein Pinning der Phasengrenzfläche an den Mikrokavitäten kommt es zu einer Deformation der Phasengrenzfläche, sodass die wässrige Phase 1005 in den Randbereichen des Mikrokavitäten-Arrays 300, an denen keine Mikrostrukturierung vorliegt, vorausläuft.
10E zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer mikrofluidischen Vorrichtung, wie sie in 1A beschrieben wurde. Die Darstellung in 10E ähnelt der Darstellung in 10D. Eine zweite nicht mischbare Phase 1010, bei der es sich lediglich beispielhaft um einen fluorinierten Kohlenwasserstoff handelt, ist in die Vorrichtung eingebracht, sodass der Verbindungsabschnitt 135 entlang der gesamten Breite mit der zweiten Phase 1010 befüllt und die wässrige Phase daraus verdrängt ist.
10F zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer mikrofluidischen Vorrichtung, wie sie in 1A beschrieben wurde. Die Darstellung in 10F ähnelt der Darstellung in 10E. In dieser Figur ist ein Übertreten der zweiten Phase 1010 auf das Mikrokavitäten-Array 300, das auch als Silizium-Chip bezeichnet werden kann, dargestellt, wobei ein räumlich homogenes Voranschreiten der zweiten Phase 1010 erzielt ist, sodass die Benetzung des Mikrokavitäten-Arrays 300 nahezu simultan entlang der gesamten Breite des Verbindungsabschnitts 135 erfolgt.
10G zeigt eine Teilansicht eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer mikrofluidischen Vorrichtung, wie sie in 1A beschrieben wurde. Die Darstellung in 10G ähnelt der Darstellung in 10F. In dieser Darstellung ist das Mikrokavitäten-Array 300 teilweise mit der zweiten Phase 1010 benetzt.
10H zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer mikrofluidischen Vorrichtung, wie sie in 1A beschrieben wurde. Die Darstellung in 10H ähnelt der Darstellung in 10G. In dieser Darstellung ist das Mikrokavitäten-Array 300 beinahe vollständig mit der zweiten Phase 1010 benetzt.
10I zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer mikrofluidischen Vorrichtung, wie sie in 1A beschrieben wurde. Die Darstellung in 10I ähnelt der Darstellung in 10H. In dieser Darstellung ist das Mikrokavitäten-Array 300 vollständig mit der zweiten Phase 1010 benetzt.
10J zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer mikrofluidischen Vorrichtung, wie sie in 1A beschrieben wurde. Die wässrige Phase 1005 liegt in den Kavitäten 305 in einzelne Aliquots unterteilt vor, wobei die Unterteilung durch eine Überschichtung mit der zweiten Phase 1010 erzielt worden ist. Der Skalierungsbalken 1000 entspricht lediglich beispielhaft einer Länge von 1 mm.
Mit anderen Worten lassen sich die 10A bis 10J wie folgt beschreiben: Die 10A bis 10J zeigen eine Reihe von zehn mikroskopischen Aufnahmen, welche in weiteren Messungen an einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vergleichbar zu dem insbesondere in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel gemacht worden sind. Wie zuvor wurde zunächst eine mit einem Fluoreszenzfarbstoff angefärbte wässrige Phase in den Verbindungsabschnitt eingebracht mit dem Ziel, ein Array aus Mikrokavitäten vollständig und zuverlässig mit der wässrigen Phase zu befüllen. Anschließend wurde eine zweite, nicht mischbare Phase, bei der es sich lediglich beispielhaft um einen fluorinierten Kohlenwasserstoff handelt, in den Verbindungsabschnitt eingebracht mit dem Ziel, die in den Mikrokavitäten des Arrays vorliegende wässrige Phase zu überschichten, sodass in den Mikrokavitäten jeweils fluidisch voneinander getrennte Kompartimente der wässrigen Phase vorliegen. Die herausragende Funktionalität der mikrofluidischen Vorrichtung offenbart sich insbesondere im Vergleich mit Vorrichtungen gemäß dem bisherigen Stand der Technik, welche keine räumlich homogene mikrofluidische Prozessierung sicherstellen.
11A zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer Flusszelle 1100 nach dem Stand der Technik. Die Figur zeigt ein Einbringen einer wässrigen Flüssigkeit 1105 in eine Aufweitung 1110 der Flusszelle 1100. Die Phasengrenzfläche der Flüssigkeit 1105 breitet sich innerhalb der Aufweitung 1110 räumlich inhomogen aus, insbesondere bedingt durch Kapillareffekte und Pinning-Effekte an Oberflächen-Inhomogenitäten.
11B zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer Flusszelle 1100 nach dem Stand der Technik. Die Darstellung in 11B ähnelt der Darstellung in 11A. Die Phasengrenzfläche der eingebrachten Flüssigkeit 1105 trifft in dieser Darstellung auf den linken Rand einer Vertiefung 1115 zur Aufnahme des Mikrokavitäten-Arrays 300, wobei der Rand als Phaseguide ausgebildet ist.
11C zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer Flusszelle 1100 nach dem Stand der Technik. Die Darstellung in 11C ähnelt der Darstellung in 11B. Die Phasengrenzfläche der eingebrachten Flüssigkeit 1105 ist am linken Rand einer Vertiefung 1115 festgepinnt und richtet sich räumlich entlang der gesamten linken Kante der Vertiefung 1115 aus, bevor ein Übertreten auf das Mikrokavitäten-Array 300 erfolgt.
11D zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer Flusszelle 1100 nach dem Stand der Technik. Die Darstellung in 11D ähnelt der Darstellung in 11C. Die Flüssigkeit 1105 tritt auf das Mikrokavitäten-Array 300 über. Das Übertreten erfolgt in einem kleinen Bereich der Vertiefung 1115, von dem ausgehend sich die Flüssigkeit 1105 dann auf das Mikrokavitäten-Array 300 ausbreitet.
11E zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer Flusszelle 1100 nach dem Stand der Technik. Die Darstellung in 11E ähnelt der Darstellung in 11D. Die Ausbreitung der Flüssigkeit 1105 auf den Mikrokavitäten-Array 300 erfolgt durch eine vordergründig einseitige Benetzung des Chips, wobei zunächst keine räumlich homogene Benetzung entlang der gesamten Breite des Mikrokavitäten-Arrays 300 erfolgt.
Mit anderen Worten lassen sich die 11A bis 11E wie folgt beschreiben: In den Figuren sind fünf mikroskopische Aufnahmen gezeigt, welche die mikrofluidische Prozessierung eines Mikrokavitäten-Array-Chips in einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik zeigen. Die Vorrichtung verfügt insbesondere über eine quadratische Ausnehmung, in welche der Chip integriert ist und eine Flusszelle 1100, welche für das Leiten von Flüssigkeiten über den Chip ausgestaltet ist. Die Aufweitung der Phasengrenzfläche der Flüssigkeit findet insbesondere in derselben Ebene wie das Leiten der Flüssigkeiten über den Mikrokavitäten-Array-Chip statt, das heißt es liegt kein Grenzflächengeometriestabilisationskanal vor. Stattdessen fungiert die Vertiefung 1115 für die Integration des Mikrokavitäten-Array-Chips als Phaseguide für die Ausrichtung der Phasengrenzfläche vor dem Übertritt auf den Mikrokavitäten-Array-Chip. Dabei wirkt der Phaseguide unter Umständen eher hinderlich für die Sicherstellung einer räumlich homogenen Benetzung der weiteren Komponente, da nach einem Übertreten des Phaseguides durch die Phasengrenzfläche an einer Stelle vordergründig eine Benetzung der hydrophilen Oberfläche der weiteren Komponente erfolgen und insbesondere ein räumlich homogenes und simultanes Übertreten der Phasengrenzfläche auf die weitere Komponente unterbleiben kann, welches für eine homogene Benetzung der weiteren Komponente besonders vorteilhaft ist.
12A zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer weiteren Vorrichtung 1200 nach dem Stand der Technik vor dem Einbringen eines Fluids. Das zu prozessierende Mikrokavitäten-Array 300 befindet sich in einer Flusszellenausnehmung 1203.
12B zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer weiteren Vorrichtung 1200 nach dem Stand der Technik. Die Darstellung in 12B ähnelt der Darstellung in 12A. Es tritt ein Fluid 1205, das auch als angefärbte wässrige Phase bezeichnet werden kann, über die kreisförmige Mündung 1210 eines mikrofluidischen Kanals an der Unterseite der Flusszellenausnehmung 1203 ein. Die Mündung 1210 kann auch als Einlassbereich bezeichnet werden.
12C zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer weiteren Vorrichtung 1200 nach dem Stand der Technik. Die Darstellung in 12C ähnelt der Darstellung in 12B. Das Fluid 1205 tritt in dieser Darstellung auf das Mikrokavitäten-Array 300 über.
12D zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer weiteren Vorrichtung 1200 nach dem Stand der Technik. Die Darstellung in 12D ähnelt der Darstellung in 12C. Das Mikrokavitäten-Array 300 ist vom Fluid 1205 benetzt, wobei im Einlassbereich die Grenzfläche des Fluids 1205 nicht weiterpropagiert und sich dort unter Umständen Lufteinschlüsse bilden.
12E zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer weiteren Vorrichtung 1200 nach dem Stand der Technik. Die Darstellung in 12E ähnelt der Darstellung in 12D. Es erfolgt ein Einbringen eines zweiten Fluids 1215, bei dem es sich lediglich beispielhaft um einen fluorinierten Kohlenwasserstoff handelt, sodass das Fluid 1205 aus dem Mündungsbereich des mikrofluidischen Kanals zum Einbringen von Flüssigkeiten verdrängt wird. Die Grenzfläche zwischen dem Fluid 1205 und der eingeschlossenen Luft in dem Einlassbereich bewegt sich hingegen, durch Kapillarkräfte stabilisiert, nicht signifikant fort, vielmehr ist das Fluid 1205 durch das Einleiten des zweiten Fluids 1215 in den Bereich des Mikrokavitäten-Arrays 300 hin verdrängbar.
12F zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer weiteren Vorrichtung 1200 nach dem Stand der Technik. Die Darstellung in 12F ähnelt der Darstellung in 12E. In dieser Figur ist ein Durchbruch des zweiten Fluids 1215 dargestellt, wodurch ein Funktionsausfall der mikrofluidischen Vorrichtung vorliegt.
12G zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer weiteren Vorrichtung 1200 nach dem Stand der Technik. Die Darstellung in 12G ähnelt der Darstellung in 12F. Das Fluid 1205 ist größtenteils auf dem Mikrokavitäten-Array 300 angeordnet und nicht von dem zweiten Fluid 1215 verdrängt, welches seitlich an dem Mikrokavitäten-Array 300 vorbeifließt. Die Stabilisierung des zweiten Fluids 1215 auf dem Mikrokavitäten-Array 300 ist insbesondere durch die hydrophile Oberseite des Mikrokavitäten-Arrays 300 begünstigt. Nachdem die Ausbildung der Seitenkanäle, insbesondere in den zuvor mit Luft gefüllten Bereichen, durch das zweite Fluid 1215 erfolgt ist, ist eine Verdrängung des eingeschlossenen wässrigen Fluids 1205 unter Umständen nicht mehr ohne weiteres möglich.
12H zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokavitäten-Arrays 300 in einer weiteren Vorrichtung 1200 nach dem Stand der Technik. Die Figur zeigt eine Fluoreszenzaufnahme des über dem Mikrokavitäten-Array 300 vorliegenden wässrigen Fluids 1205 nach der mikrofluidischen Prozessierung. Dabei zeigt die Messung auf, dass durch eine räumlich inhomogene Benetzung der Struktur unter Umständen Funktionsausfälle begünstigt werden können.
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.

Claims

Mikrofluidische Vorrichtung (100) zum Prozessieren von mindestens einem Fluid (110), wobei die mikrofluidische Vorrichtung (100) folgende Merkmale aufweist: mindestens einen Fluidkanal (105) zum Führen des Fluids (110), wobei der Fluidkanal (105) einen ersten Kanalabschnitt (115) mit einer ersten Querschnittsfläche (120), einen zweiten Kanalabschnitt (125) mit einer zweiten Querschnittsfläche (130) und einen den ersten Kanalabschnitt (115) und den zweiten Kanalabschnitt (125) verbindenden Verbindungsabschnitt (135) aufweist, wobei die zweite Querschnittsfläche (130) größer ist als die erste Querschnittsfläche (120) und/oder der erste Kanalabschnitt (115) relativ zu dem zweiten Kanalabschnitt (125) versetzt angeordnet ist.
Mikrofluidische Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, wobei mindestens eine Abmessung der zweiten Querschnittsfläche (130) in einem vordefinierten Verhältnis zu einer Kapillarlänge des Fluids (110) steht.
Mikrofluidische Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 2, wobei die Abmessung der zweiten Querschnittsfläche (130) einer Kanalbreite des Fluidkanals (105) entspricht.
Mikrofluidische Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Verbindungsabschnitt (135) eine Verbindungsquerschnittsfläche (137) aufweist, welche größer als die zweite Querschnittsfläche (130) ist.
Mikrofluidische Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei im zweiten Kanalabschnitt (125) eine Mehrzahl von Kavitäten (305) zum Prozessieren des Fluids (110) angeordnet sind.
Mikrofluidische Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der zweite Kanalabschnitt (125) in einem Teilbereich für das Fluid (110) anziehender, insbesondere hydrophiler, ausgebildet ist als außerhalb des Teilbereichs.
Mikrofluidische Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die erste Querschnittsfläche (120) eine Größe von 0,1 × 1,0 mm² bis 3,0 × 3,0 mm² aufweist, insbesondere 0,3 × 0,3 bis 1,0 × 1,0 mm², und/oder wobei die zweite Querschnittsfläche (130) eine Größe von 0,1 × 1,0 mm² bis 3,0 × 30,0 mm² aufweist, insbesondere 0,3 × 3,0 bis 1,0 × 10,0 mm².
Verfahren (500) zum Herstellen einer mikrofluidischen Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren (500) folgende Schritte umfasst: Bestimmen (505) einer Kapillarlänge des Fluids (110); und Ausformen (510) des Fluidkanals (105), wobei mindestens eine Abmessung der zweiten Querschnittsfläche (130) in einem vordefinierten Verhältnis zu einer Kapillarlänge des Fluids (110) steht.
Verfahren (600) zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Verfahren (600) folgende Schritte umfasst: Anordnen (605) der Vorrichtung (100) bezüglich einer Gravitationskraft (140) der Erde; und Einbringen (610) des Fluids (110) in den ersten Kanalabschnitt (115) des Fluidkanals (105) um das Fluid (110) über den Verbindungsabschnitt (135) in den zweiten Kanalabschnitt (125) zu leiten.
Verfahren (600) gemäß Anspruch 9, bei dem im Schritt (605) des Anordnens ein Ausrichten der Vorrichtung (100) in Abhängigkeit von einer Kapillarlänge des Fluids und einer Geometrie des Verbindungsabschnitts (135) erfolgt, insbesondere für eine Stabilisierung einer Grenzfläche des Fluids.
Verwendung einer mikrofluidischen Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 in Verbindung mit mindestens einem Fluid (110), um das Fluid (110) zu prozessieren.
Verwendung gemäß Anspruch 11, wobei das Fluid (110) Wasser, eine wässrige Lösung, Öl, Mineralöl, Silikonöl oder einen fluorierten Kohlenwasserstoff aufweist.
Steuergerät (650), das eingerichtet ist, um die Schritte eines der Verfahren (500; 600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche in entsprechenden Einheiten (655, 660) auszuführen und/oder anzusteuern.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens (500; 600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen und/oder anzusteuern.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 14 gespeichert ist.