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Stand der Technik
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Lab-on-Chip-Kartuschen sind oftmals mit strukturierten Trägerplatten aus transparentem Kunststoff aufgebaut, die durch einen Laserschweißprozess mit einer Elastomermembran und mehreren Siegelfolien verbunden werden. Für die Pumpfunktionen und zur Abdichtung zwischen den transparenten Trägerplatten wird eine schwarze Elastomermembran integriert, die als extrudierte Folie hergestellt und in einem nächsten Prozessschritt passend ausgestanzt wird.
1 zeigt schematisch einen Schichtaufbau einer solchen Kartusche 100, bei welcher über einen Kanal 111 in einer ersten Trägerplatte 110, auch als Pneumatik-Trägerplatte 110 oder Pneumatiklage 110 bezeichnet, Druck auf die dehnbare Elastomerschicht 130 zur Verdrängung von Fluid aus einer Kammer 121 in einer zweiten Trägerplatte 120, auch als Fluidik-Trägerplatte 120 oder Fluidiklage 120 bezeichnet, ausgeübt werden kann, wie beispielsweise auch in
EP 2 808 082 A1 beschrieben.
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Auf die Pneumatik-Trägerplatte 110 können u.a. zur Versiegelung der Luftkanäle 112 eine ebenfalls passend ausgestanzte schwarze Kunststofffolie 140 als eine erste Siegelfolie 140 und eine transparente Kunststofffolie 150 als eine zweite Siegelfolie 150 durch ein Maskenschweißverfahren aufgebracht werden. Bei einem Betrieb der Kartusche, insbesondere bei Durchführung einer Polymerase-Kettenreaktion oder einer isothermalen Amplifikation in der Kartusche, werden flächige Heizelementblöcke mit einer Temperatur von über 100°C für eine bestimmte Zeit an die thermisch gering wärmeleitenden Siegelfolien aus Polycarbonat herangefahren, um bestimmte Bereiche der Kartusche je nach Bedarf mit einer Temperatur zwischen 60 und 95°C zu temperieren. Polycarbonat wird dabei gewählt, um einerseits ein Verschweißen der Siegelfolien mit der Trägerplatte und andererseits eine hohe Temperaturstabilität bis 120°C zu ermöglichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung eine Siegelfolie für eine mikrofluidische Vorrichtung, insbesondere für eine Lab-on-a-Chip-Kartusche, wobei die Siegelfolie wärmeleitfähige Partikel umfasst.
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Unter der mikrofluidischen Vorrichtung, auch Lab-on-a-Chip-Vorrichtung genannt, kann insbesondere eine mikrofluidische Kartusche bzw. Lab-on-a-Chip-Kartusche verstanden werden. Solche Kartuschen können als Schichtaufbau mehrere Schichten, auch Lagen oder Träger (im Englischen layer) genannt, umfassen, beispielsweise eine Fluidiklage, getrennt durch eine elastische Membran von einer Pneumatiklage, wobei die Pneumatiklage zur pneumatischen Ansteuerung der Membran für die Bewegung von Fluiden in der Fluidiklage dient.
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Unter der Siegelfolie ist insbesondere eine Folie zu verstehen, bevorzugt aus Kunststoff oder Verbundstoff, welche undurchlässig für Flüssigkeiten und vorzugsweise andere Fluide ist. Bevorzugt umfasst die Folie ein Polyolefin und/oder einen Polyester, welche vorteilhafterweise eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme und eine gute Medienbeständigkeit aufweisen. Beispielsweise hat die Siegelfolie eine Dicke zwischen 0,1 und 1 Millimeter, bevorzug zwischen 0,1 und 0,4 Millimeter.
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Unter wärmeleitfähigen Partikeln sind insbesondere Partikel zu verstehen, welche eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 100 und 250 W/mK aufweisen. Darunter kann in bevorzugter Ausgestaltung auch verstanden werden, dass die Partikel eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der sie in der Siegelfolie umgebende Kunststoff aufweisen, also vorzugsweise eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Polyolefin und/oder Polyester der Siegelfolie, welche beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 2 und 4 W/mK aufweisen können.
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Die erfindungsgemäße Siegelfolie hat somit den Vorteil, dass aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit der Partikel Wärme effizient, insbesondere schnell und verlustfrei, in die mikrofluidische Vorrichtung eingebracht oder entnommen werden kann, insbesondere über die Siegelfolie kontaktierende Wärmequellen beziehungsweise Wärmesenken wie beispielsweise Heizelemente, insbesondere Peltierelemente. Damit kann vorteilhafterweise Energie und CO2-Ausstoß eingespart werden. Ferner ist von Vorteil, dass insbesondere anstatt einer ansonsten üblichen stark isolierenden Polycarbonat-Siegelfolie, welche über einen Laserschweißprozess mit der Vorrichtung verbunden werden muss, eine Siegelfolie aus einem kostengünstigeren Kunststoff über ein temperaturneutrales Montageverfahren, insbesondere über Aufkleben, auf die Vorrichtung aufgebracht werden kann. Durch die Vermeidung des Schweißprozesses und der besseren Leitfähigkeit kann vorteilhafterweise weitere Energie gespart werden. Außerdem wird vorteilhafterweise vermieden, dass sich durch hohe Temperaturen des Schweißprozesses und hoher Temperaturen der später anzulegenden Heizelemente Spannungen oder Bindenähte in der Vorrichtung lösen, die ebene Lagen der Vorrichtung verziehen und negativen Einfluss auf die Schweißverbindungen und damit die Dichtigkeit der Lagen zueinander haben können.
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Die Partikel haben beispielsweise eine (annähernd) kugelförmige, sphärische oder ellipsoide Form oder stellen Bruchstücke von solchen Formen dar. Beispielsweise kann es sich bei den Partikeln auch um hexagonale Plättchen handeln. Die Partikel oder Plättchen haben beispielsweise eine maximale Abmessung oder einen Durchmesser zwischen 10 und 700 Mikrometer. In bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Partikel Bornitrid, Graphit, Kohlenstoff, Kupfer, Aluminiumhydroxid und/oder Magnesiumhydroxid.
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Gemäß besonders bevorzugter Ausgestaltung bilden die Partikel zwischen mindestens 15%, bevorzugt mindestens 30%, ganz bevorzugt zwischen 30 und 70 % des Volumens oder alternativ des Gewichts zumindest eines Teils der Siegelfolie. In besonderer Ausgestaltung umfassen nur ein Teil oder ein oder mehrere bereichsweise Abschnitte der Siegelfolie solche Partikel. Dabei kann es sich insbesondere um Teile bzw. Abschnitte der Siegelfolie handeln, über welche Wärme geleitet werden soll, insbesondere zwischen Heiz- oder Kühlelemente und der mikrofluidischen Vorrichtung. Dies hat den Vorteil, dass die Partikel gezielt in der Folie bereichsweise platziert werden können und die Gesamtzahl an Partikeln reduziert werden kann. Mit anderen Worten umfasst die Siegelfolie einen ersten Teil oder Abschnitt mit Partikeln und einen zweiten Teil oder Abschnitt ohne Partikel. Der zweite Teil ohne Partikel kann dabei vorzugsweise mindestens 20%, bevorzugt 50% und ganz bevorzugt 70% des Volumens der Siegelfolie umfassen. Mit anderen Worten können mindestens 20%, bevorzugt 50% und ganz bevorzugt 70% des Volumens der Siegelfolie keine Partikel umfassen.
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In besonderer Ausgestaltung umfasst die Siegelfolie ein Montageband zum Anbringen auf die Vorrichtung, vorzugsweise ein Klebeband. Beispielsweise handelt es sich dabei um ein Montageband von dem Unternehmen 3M mit der Bezeichnung Low VOC Tape LVC sowie Tape PC oder von dem Unternehmen Supertape B. V. mit der Bezeichnung SuperFood 3 hergestellt.
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Gemäß besonderer Ausgestaltung sind zumindest 50%, vorzugsweise 70%, ganz bevorzugt 90% der Partikel quer zur Haupterstreckungsebene der Siegelfolie ausgerichtet, wenn die Partikel nicht kugelförmig ausgebildet sind, um eine Wärmeübertragung quer durch die Siegelfolie optimal zu unterstützen. Unter einer queren Ausrichtung ist insbesondere zu verstehen, dass eine Achse, welche durch die längste Erstreckung des jeweiligen Partikels geht, maximal um 10 Grad, bevorzugt maximal um 5 Grad von der Normalenrichtung durch die Siegelfolie abweicht. Mit anderen Worten sind mindestens 50%, vorzugsweise 70%, ganz bevorzugt 90% der Partikel längs zur Dickenrichtung der Siegelfolie ausgerichtet.
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Die Erfindung betrifft ferner eine mikrofluidische Vorrichtung mit einer solchen Siegelfolie, insbesondere eine Lab-on-a-Chip-Kartusche. Die Vorrichtung kann wie oben beschrieben in vorzugsweise Ausgestaltung eine erste Schicht und eine zweite Schicht dazwischen angeordneter elastischer Membran umfassen, wobei es sich bei den beiden Schichten um je eine Fluidikschicht und Pneumatikschicht handeln kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung deckt die Siegelfolie eine Seite einer der Vorrichtung Schicht vollständig ab, beispielsweise eine Seite der Pneumatiklage oder der Fluidiklage. Bevorzugt handelt es sich dabei um eine Außenseite der Vorrichtung. Dies hat den Vorteil, dass die ganze Seite der Schicht durch die Siegelfolie fluiddicht überdeckt und geschützt wird. In Abwandlung dazu kann die Siegelfolie einen Teil einer Seite, vorzugsweise einen Großteil der Seite, beispielsweise mindestens 70%, bevorzugt mindestens 80%, ganz bevorzugt mindestens 90% der Seite abdecken. Beispielsweise können ein Rand der Seite und/oder einzelne Bereiche nicht von der Siegelfolie bedeckt sein.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Siegelfolie, wobei die wärmeleitfähigen Partikel in zumindest einen Teil eines Kunststoffs, insbesondere in ein Polyolefin oder ein Polyester, eingebracht werden und der Kunststoff mit den enthaltenen Partikeln in einem Spritzprägewerkzeug zur Siegelfolie geformt wird.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung, wobei die Siegelfolie vorzugsweise nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellt wird und auf einer Seite einer Schicht, insbesondere einer Pneumatiklage, der mikrofluidischen Vorrichtung aufgebracht wird.
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Gegenstand der Erfindung ist darüber hinaus ein Verfahren zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung, insbesondere einer Lab-on-a-Chip-Kartusche, wobei die Vorrichtung eine erfindungsgemäße Siegelfolie umfasst, wobei über eine Kontaktierung eines oder mehrerer Heiz- und/oder Kühlelemente mit der Siegelfolie Wärme in die Vorrichtung eingebracht beziehungsweise aus der Vorrichtung abgeführt wird. Ein solches Verfahren kann auch als eine Verwendung der erfindungsgemäßen Siegelfolie für eine mikrofluidische Vorrichtung, insbesondere eine Lab-on-a-Chip-Kartusche, aufgefasst werden.
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Zu den Vorteilen der erfindungsgemäßen Verfahren wird auch auf die oben ausgeführten Vorteile zur Siegelfolie und Vorrichtung verwiesen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente werden gleiche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung der Elemente verzichtet wird.
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Es zeigen
- 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung wie eingangs beschrieben,
- 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Siegelfolie und der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassend die Siegelfolie sowie ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung
- 3 ein Ausführungsbeispiel einer Spritzgießmaschine zur Herstellung der erfindungsgemäßen Siegelfolie und
- 4 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Herstellverfahren.
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Ausführungsformen der Erfindung
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Siegelfolie 170 sowie ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 umfassend die Siegelfolie 170 zur Abdeckungen von Kammern 112 oder Kanälen 113 der Vorrichtung 100. Bei der Vorrichtung 100 kann es sich wie beim eingangs beschriebenen Beispiel gemäß 1 insbesondere um eine Lab-ona-Chip-Kartusche im Schichtaufbau handeln. Die Siegelfolie 170 ist beispielsweise über ein Montageband 160, insbesondere ein doppelseitiges Klebeband, auf einer Schicht 110 der Vorrichtung 100, beispielsweise auf der Pneumatiklage 110 oder alternativ der Fluidiklage, aufgebracht und bildet eine Außenseite der Vorrichtung 100. Solche ein für Temperaturen bis über 100°C geeignetes Montageband 160 wird beispielsweise von dem Unternehmen 3M mit der Bezeichnung Low VOC Tape LVC sowie Tape PC oder von dem Supertape B.V. mit der Bezeichnung SuperFood 3 hergestellt und weist beispielsweise eine Dicke zwischen 50 und 250 Mikrometer auf.
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Die Siegelfolie 170 ist vorzugsweise eine Kunststofffolie aus einem Polyolefin oder einem Polyester, wie nachfolgend zu 3 und 4 näher ausgeführt. Die Siegelfolie 170 umfasst Partikel 171 für eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Folie 170. Die Partikel 171 können entweder über die ganze Siegelfolie 170 verteilt sein, oder, wie in 2 angedeutet, nur in ersten Teilen oder Abschnitten 172, 173 angeordnet sein, so dass zweite Teile 174, 175 der Siegelfolie 170 frei von Partikeln sind. Als erster Teil 172 kann dabei vorzugsweise auch die Gesamtheit der Abschnitte 172, 173 mit Partikeln verstanden werden. Ferner kann als zweiter Teil 174 die Gesamtheit der Abschnitte 174, 175 ohne Partikel verstanden werden, so dass die Folie nur aus einem solchen ersten Teil 172 und einem solchen zweiten Teil 174. Die Partikel können dabei zwischen mindestens 15%, bevorzugt mindestens 30%, ganz bevorzugt zwischen 30 und 70 % des Volumens oder des Gewichts zumindest eines ersten Teils 172, 173 oder alternativ der ganzen Siegelfolie 170 bilden. Die Partikel 171 sind beispielsweise aus Bornitrid, Graphit, Kohlenstoff, Kupfer, Aluminiumhydroxid und/oder Magnesiumhydroxid hergestellt. Vorzugsweise sind die ersten Abschnitte 172, 173 so gewählt, dass Kammern 112 oder Kanäle 113 in der Pneumatiklage 110 oder Fluidiklage effizient und effektiv durch die Siegelfolie 170 (und das Montageband 160 hindurch) erwärmt oder abgekühlt werden können, insbesondere durch an diese Abschnitte 172, 173 anliegende Heiz- bzw. Kühlelemente. Bei diesen Heiz- bzw. Kühlelementen kann es sich insbesondere um Heizelemente oder Peltierelemente 201, 202 handeln, welche beispielsweise in einem Analysegerät 200 zur Prozessierung der Vorrichtung 100, welches die Vorrichtung 100 aufgenommen hat, beweglich zur Kontaktierung an die Siegelfolie 100 angeordnet sind, wie durch die strichlierten Pfeile in 2 angedeutet. 2 illustriert somit auch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Siegelfolie 170. Wenn sich beispielsweise bei der dargestellten Kammer 112 um eine Kammer 112 zum Durchführen einer Polymerase-Kettenreaktion oder einer isothermalen Amplifikation handelt, kann über das Heizelement 201 mit Hilfe der erfindungsgemäßen Siegelfolie 170 eine wohldefinierte Temperatur in der Kammer 112 eingestellt werden.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels 500 des erfindungsgemäßen Verfahrens Herstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung, welches ein Ausführungsbeispiel 400 zur Herstellung einer Siegelfolie umfasst, beispielsweise einer zu 2 beschriebenen Siegelfolie 170.
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In einem ersten Schritt 501 des Verfahrens 400, 500 wird eine Spritzgießmaschine mit Prägesoftware sowie ein integriertes Handling bereitgestellt und ein Spritzprägewerkzeug mit entsprechendem Prägestempel für die Kontur der Siegelfolie in der Maschine befestigt. 3 zeigt schematisch ein Spritzprägewerkzeug 300. In einem zweiten Schritt 502, welcher vor oder während des ersten Schritts 501 erfolgen kann, wird ein kostengünstiger Kunststoff 10, insbesondere ein Thermoplast, wie beispielsweise ein Polyolefin (Polypropylen PP, Polyethylen PE, Polymethylpenten PMP, ...) oder Polyester (Polyethylenterephthalat PET, Polybutylenterephthalat PBT, ...) mit den wärmeleitfähigen Partikeln 171 vermischt. Wie oben ausgeführt, können die Partikel beispielweise Bornitrid, Graphit, Kohlenstoff, Kupfer, Aluminium- und/oder Magnesiumhydroxid umfassen und einen Anteil von 30% bis 70% des Gewichts oder Volumens des Gemischs bilden.
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Dieses Gemisch wird in einem dritten Schritt 503 im Spritzzylinder 310 des Spritzprägewerkzeugs 300 aufgeschmolzen und mit einer Teilfüllung in die geöffnete Kavität 320 des Spritzprägewerkzeugs eingefüllt. Gemäß einem vierten Schritt 504 wird anschließend der Prägestempel 330 mit der gewünschten Kontur der Siegelfolie 170 auf eine Foliendicke zwischen 100µm bis 400µm vorgefahren, wie die schematische Momentaufnahme gemäß 3 zeigt.
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Nach einer vorgegebenen Abkühlzeit wird in einem fünften Schritt 505 das Spritzprägewerkzeug 300 in der Trennebene 350 geöffnet und der Prägestempel 330, um über ein Handling die fertige Siegelfolie 170 zu entnehmen.
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Anschließend kann die Siegelfolie in einem optionalen sechsten Schritt 506 mit Hilfe des Handlings zu einer Fügestation gebracht werden, an welcher ein doppelseitiges Montageband 160 auf die Siegelfolie 170 flächig aufgebracht werden kann. In einem siebten Schritt 507 kann die dünne Siegelfolie 170 mit der mikrofluidischen Vorrichtung 100, insbesondere mit der Pneumatiklage 110 oder der Fluidiklage 120 temperaturneutral verbunden werden, beispielsweise als Prozessschritte in der Montageline zur Herstellung der Vorrichtung 100.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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