DE102022102894A1

DE102022102894A1 - Mikrofluidiksystem und Verfahren zum Herstellen eines solchen

Info

Publication number: DE102022102894A1
Application number: DE102022102894.1A
Authority: DE
Inventors: Ireneus Henning; Thorsten Teutenberg; Martin Klassen; Tobias Werres
Original assignee: Inst Fuer Energie und Umwelttechnik E V Iuta; Institut fur Energie- und Umwelttechnik Ev (iuta)
Current assignee: Inst Fuer Energie und Umwelttechnik E V Iuta; Institut fur Energie- und Umwelttechnik Ev (iuta)
Priority date: 2022-02-08
Filing date: 2022-02-08
Publication date: 2023-08-10

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikrofluidiksystem (10), aufweisend eine Basiseinheit (12) und eine Mehrzahl an der Basiseinheit (12) fixierbarer Funktionsmodule (14), die insbesondere ausgewählt sind aus Mischmodulen, Reaktionsmodulen, Aufreinigungsmodulen, Trennmodulen und Analysemodulen, wobei die Funktionsmodule (14) modular ausgestaltet sind und in einer Arbeitsanordnung miteinander zum Ausbilden eines einheitlichen Fluidsystems verbindbar sind, welches von wenigstens einem Eingang (20) zum Eintragen eines Fluids in das Mikrofluidiksystem (10) zu wenigstens einem Ausgang (26) zum Austragen des Fluids aus dem Mikrofluidiksystem (10) verläuft, und wobei das Mikrofluidiksystem (10) ferner eine Fixiereinheit zum Fixieren der Funktionsmodule (14) in der Arbeitsanordnung und an der Basiseinheit (12) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikrofluidiksystem insbesondere zum Umsetzen, Trennen und/oder Analysieren von Substanzen. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Mikrofluidiksystems.
Die Miniaturisierung ist das Ziel vieler Entwicklungen in Wissenschaft und Technik. Über die Verkleinerung von Strukturen erfolgen eine Leistungs- und Geschwindigkeitssteigerung sowie eine Verringerung des Ressourcen- und Energieverbrauchs. Für den Bereich der Elektronik konnte dies in der Vergangenheit über die Miniaturisierung von Transistoren und dem modularisierten Aufbau integrierter Schaltungen in Chips konsequent realisiert werden. Auch die chemische Industrie verfolgt diese Intention.
Im Laborumfeld wird die Miniaturisierung in den Mikro- bzw. Nanometermaßstab oftmals als „Lab-on-Chip“ (LoC) bezeichnet. LoC-Systeme beziehungsweise „Westentaschenlabore“ sind seit vielen Jahrzehnten im Fokus wissenschaftlicher Forschung. Diese Struktur bzw. das generelle Chip-Layout zeichnet sich durch Kavitäten und Kanäle aus, deren Durchmesser nur wenige Mikrometer beträgt. Diese Anforderung leitet sich von der Vorgabe ab, dass für die entsprechenden Anwendungen nur ein sehr geringes Probenvolumen von wenigen Nanolitern oder Mikrolitern zur Verfügung steht.
Beispielsweise beschreibt C. Lotter, E. Poehler, J. J. Heiland, L. Mauritz, Detlev Beider, Enantioselective reaction monitoring utilizing two-dimensional heart-cut liquid chromatography on an integrated microfluidic chip, Lab Chip, 2016, 16 4648, glasbasierte Chips mit chromatographischen Eigenschaften. Dies wird erreicht durch sequentielle Kopplung einer Umkehrphasen- und einer chiralen Trennsäule auf einem einzigen Chip.
Neben den offensichtlichen Vorteilen der Miniaturisierung, wie geringerem Ressourcenverbrauch, Portabilität und erhöhter Sicherheit, ist eines der vielversprechendsten Eigenschaften integrierter „Westentaschenlabore“ die hohe Reaktions- und Analysengeschwindigkeit mit entsprechend großem Potenzial zum Hochdurchsatzscreening. Das vordergründige Ziel, möglichst alle Prozesse des Labors auf einem Chip zu implementieren, konnte allerdings aufgrund der Komplexität der differierenden Prozesse nur in geringem Umfang für industrielle Anwendungen realisiert werden. Hier besteht nach wie vor ein hohes Entwicklungs-, aber auch Marktpotential.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Maßnahme zu schaffen, durch welche wenigstens ein Nachteil des Stands der Technik zumindest teilweise überwunden werden kann. Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, durch die ein miniaturisiertes Fluidsystem hinsichtlich der Herstellbarkeit und der Verwendbarkeit verbessert werden kann.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Mikrofluidiksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß ferner durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung und in den Figuren offenbart, wobei weitere in den Unteransprüchen oder in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikrofluidiksystem, aufweisend eine Basiseinheit und eine Mehrzahl an der Basiseinheit fixierbarer Funktionsmodule, wobei die Funktionsmodule ausgewählt sein können aus Mischmodulen, Reaktionsmodulen, Aufreinigungsmodulen, Trennmodulen und Analysemodulen, wobei die Funktionsmodule modular ausgestaltet sind und in einer Arbeitsanordnung miteinander zum Ausbilden eines einheitlichen Fluidsystems verbindbar sind, welches von wenigstens einem Eingang zum Eintragen eines Fluids in das Mikrofluidiksystem zu wenigstens einem Ausgang zum Austragen des Fluids aus dem Mikrofluidiksystem verläuft, und wobei das Mikrofluidiksystem ferner eine Fixiereinheit zum Fixieren der Funktionsmodule in der Arbeitsanordnung und an der Basiseinheit aufweist.
Ein derartiges modulares System ist besonders vorteilhaft herstellbar und dabei besonders einfach an gewollte Anwendungen anpassbar, wodurch eine sehr gute Anwendbarkeit gewährleistet wird.
Die vorbeschriebene Erfindung beschreibt somit ein Mikrofluidiksystem. Unter einem Mikrofluidiksystem ist im Sinne der Erfindung insbesondere ein System zu verstehen, welches ein Fluid führen kann und hierzu insbesondere Leitungen beziehungsweise Kapillaren aufweist, die zumindest teilweise derart ausgestaltet sind, dass sie einen Durchmesser im Mikrometerbereich aufweisen. Bevorzugt können die Leitungen beziehungsweise die Kapillaren einen Durchmesser aufweisen von ≤ 1000 µm. Besonders bevorzugt können die enthaltenen Leitungen zumindest teilweise, beispielsweise vollständig, einen auch als Kapillargröße bezeichneten Durchmesser von ≤ 500 µm, etwa in einem Bereich von ≥ 10 µm, bevorzugt von ≥ 50 µm aufweisen.
Grundsätzlich kann der Vorteil derartiger Mikrofluidiksysteme in geringem Ressourcenverbrauch, Portabilität und erhöhter Sicherheit gesehen werden. Darüber hinaus sind Vorteile sogenannter „Westentaschenlabore“ die hohe Reaktions- und Analysengeschwindigkeit mit entsprechend großem Potenzial zum Hochdurchsatzscreening. Dadurch wird ein ökonomisches und sicheres Betreiben möglich.
Das hier beschriebene Mikrofluidiksystem weist eine Basiseinheit und eine Mehrzahl an der Basiseinheit fixierbarer Funktionsmodule auf. Diese Ausgestaltung erlaubt es, dass das Mikrofluidiksystem nicht in einer vorbestimmten Weise hinsichtlich der Funktionalitäten konfiguriert sein muss, sondern dass es möglich ist, unterschiedliche Funktionsmodule in einer grundsätzlich anpassbaren Weise anzuordnen beziehungsweise grundsätzlich unterschiedliche Funktionsmodule zu verwenden. Somit können die Funktionsmodule je nach gewünschter Funktion und Anwendung frei gewählt und in geeigneter Reihenfolge hinsichtlich der gewollten Fließrichtung des Fluids positioniert werden. Darüber hinaus können der Eingang beziehungsweise der Ausgang in das Fluidiksystem beziehungsweise aus dem Fluidiksystem frei positioniert werden.
Grundsätzlich sei darauf hingewiesen, dass die Begriffe „Eingang“ und „Ausgang“ frei gewählt sind und selbstredend abhängig sind von der Anbindung des Mikrofluidiksystems. Sie werden daher im Folgenden für ein verbessertes Verständnis der Erfindung entsprechend definiert. In für den Fachmann ohne weiteres verständlicher Weise kann ein als Eingang beschriebener Anschluss auch als Ausgang dienender Anschluss verwendet werden, und umgekehrt. Somit sind die Bezeichnungen „Eingang“ und „Ausgang“ rein beispielhaft und nicht auf eine bestimmte Funktion begrenzt zu verstehen.
Bevorzugt können die Funktionsmodule ausgewählt sein aus Mischmodulen, Reaktionsmodulen, Aufreinigungsmodulen, Trennmodulen und Analysemodulen. Insbesondere derartige Funktionsmodule, einhergehend mit einer wählbaren funktionsmäßigen Positionierung insbesondere relativ zu anderen Funktionsmodulen, erlauben ein hohes Maß an Flexibilität, um die Anwendbarkeit besonders funktional zu gestalten. Dabei ist es von der vorliegenden Erfindung umfasst, diese oder andere Funktionsmodule frei zu kombinieren. Darüber hinaus können die entsprechenden Funktionsmodule die beschriebene Funktion und gegebenenfalls weitere Funktionen ausführen, also auch mehr als eine Funktion.
Unter Mischmodulen sind insbesondere derartige Module zu verstehen, die dazu dienen können, ein Substanzgemisch zu vermischen. Der vollständige Ablauf einer Durchmischung kann etwa durch Anpassung der Verweilzeit des Fluids ermöglicht werden, indem z. B. die Flussrate verringert wird, oder auch durch entsprechende Strukturen, welche Verwirbelungen in den Kapillaren erzeugen, um so die Durchmischung zu beschleunigen. Die Verweilzeit kann beispielsweise über die Kapillarlänge und / oder den Kapillardurchmesser einstellbar sein. Unter einer Kapillare wird ein feiner, langgestreckter Hohlraum innerhalb eines Funktionsmoduls verstanden.
Unter Reaktionsmodulen sind insbesondere derartige Module zu verstehen, in welchen eine chemische Reaktion ablaufen kann beziehungsweise soll. Diese können sich etwa durch eine Temperierbarkeit oder spezifische Kapillaroberflächen auszeichnen, an welchen etwa Reaktanden oder Katalysatoren oder auch eine vergrößerte Oberfläche vorliegen können, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein. Darüber hinaus können Reaktionsmodule derart ausgestaltet sein, um eine ausreichende Verweilzeit des Fluids sicherzustellen. Dies ist wiederum etwa über die Kapillarlänge und / oder den Kapillardurchmesser in dem Funktionsmodul umsetzbar.
Beispielsweise kann ein Modul gleichermaßen ein Mischmodul und ein Reaktionsmodul sein.
Unter Aufreinigungsmodulen können insbesondere Funktionsmodule zu verstehen sein, die es erlauben, ein Substanzgemisch aufzureinigen, etwa indem bestimmte Substanzen aus dem Gemisch abgetrennt werden oder das Substanzgemisch aufgetrennt wird. Damit umfassen Aufreinigungsmodule das Aufkonzentrieren und das Trennen von Substanzen. Als Aufreinigung wird beispielsweise somit das Abtrennen wenigstens einer Substanz etwa von einer Verunreinigung bezeichnet. Ferner kann eine weiter verwendbare Substanz sich an gezielter Stelle anreichern, wie etwa auf einer chromatografischen Phase. Beispiele hierfür umfassen etwa die Festphasenextraktion oder die Umkehrphasenchromatografie, ebenfalls ohne hierauf beschränkt zu sein. Grundsätzlich können Aufreinigungsmodule somit Chromatografiemodule sein.
Trennmodule zur Trennung von Substanzen dienen der Aufteilung wenigstens eines Stoffgemischs, beispielsweise durch Verteilung der Einzelbestandteile zwischen fester, stationärer und flüssiger, mobiler Phase. Entsprechend kann ein Trennmodul ebenfalls ein Chromatografiemodul sein, weshalb ein Funktionsmodul etwa ein Aufreinigungsmodul und ein Trennmodul sein kann.
Ferner sind unter Analysemodulen, die auch als Detektionsmodule bezeichnet werden können, insbesondere derartige Funktionsmodule zu verstehen, mit welchen Substanzgemische oder aufgetrennte Substanzen, etwa in Lösung, beispielsweise hinsichtlich der Art der Substanzen oder hinsichtlich der Ausgestaltung beziehungsweise der Komponenten des Substanzgemisches analysiert werden können. Hier können spektroskopische Systeme beispielhaft genannt sein, durch welche auf bekannte Weise eine Analyse des Fluids möglich ist und eine Detektion bestimmter Substanzen möglich ist.
Beispielsweise kann ein Analysemodul beziehungsweise Detektionsmodul sämtliche für eine Analyse notwendigen Komponenten beinhalten. Es ist jedoch auch von der Erfindung umfasst, dass das Analysemodul der Analyse wie vorstehend beschrieben dient, jedoch mit nicht von dem Modul umfassten Komponenten zusammenwirkt. Beispielsweise kann das Analysemodul eine Messzelle umfassen, welche elektromagnetische Strahlung zur Analyse nutzt.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht grundsätzlich auf die vorbeschriebenen Funktionsmodule beschränkt.
Wie vorstehend angedeutet sind die Funktionsmodule modular ausgestaltet und in einer Arbeitsanordnung miteinander zum Ausbilden eines einheitlichen Fluidsystems verbindbar.
Eine modulare Ausgestaltung soll dabei insbesondere bedeuten, dass jedes der Funktionsmodule eigenständig erzeugbar ist und als eigenständiges Modul auf der Basiseinheit anordbar und dort fixierbar ist. Dies insbesondere in einer Arbeitsanordnung, also in einem Zustand, in welchem das Mikrofluidiksystem arbeiten und somit die gewünschte Aufgabe beziehungsweise die gewünschten Aufgaben ausführen kann. Die Module sind dabei grundsätzlich in einer freien Konfiguration hintereinander anordbar und ferner grundsätzlich austauschbar.
Die Funktionsmodule bilden dann in der Arbeitsanordnung ein einheitliches Fluidsystem aus, welches ein fluiddichtes System ist, so dass die Funktionsmodule fluidisch miteinander verbunden sind und ein Fluid sämtliche Funktionsmodule, insbesondere von dem Eingang zu dem Ausgang, durchströmen kann. In anderen Worten soll ein fluiddichtes System bedeuten, dass ein Fluid zwischen dem Eingang oder einer Mehrzahl von Eingängen und dem Ausgang oder einer Mehrzahl von Ausgängen bei Arbeitsbedingungen nicht ungewollt austritt.
Das Fluidsystem ist dann entsprechend derart ausgebildet, dass es von wenigstens einem Eingang zum Eintragen von Flüssigkeit in das Mikrofluidiksystem zu wenigstens einem Ausgang zum Austragen von Flüssigkeit aus dem Mikrofluidiksystem durch die Funktionsmodule verläuft. Somit kann es insbesondere bevorzugt sein, dass ein entsprechender Eingang und ein entsprechender Ausgang vorgesehen sind, zwischen denen die Funktionsmodule angeordnet sind, so dass ein Fluid durch den wenigstens einen Eingang oder mehrere Eingänge und die Funktionsmodule durchströmend zu dem wenigstens einen Ausgang und aus diesem oder diesen herausfließen kann.
Es ist jedoch vom Rahmen der Erfindung umfasst, dass auch zwischen dem Eingang und dem Ausgang weitere als Eingang oder Ausgang dienende Anschlüsse vorgesehen sein können, die fluiddicht verschließbar sein können oder nicht. Es kann somit bei einem derartigen Mikrofluidiksystem möglich sein, dass durch das Ansteuern von Ventilen der Fluidstrom veränderbar ist und somit sämtliche Module durchströmen kann oder einen derartigen als Ausgang oder als Eingang dienenden Anschluss durchströmt, dass zumindest temporär nicht sämtliche Module durchflossen werden. Dadurch können einzelne Funktionsmodule selektiv ab- oder zugeschaltet werden, was die Anwendungsbreite weiter verbessern kann.
Entsprechend kann ein Ventil oder können eine Mehrzahl an Ventilen zum Leiten des Fluidstroms zwischen den Modulen vorgesehen sein.
Ferner können die Eingänge und/oder die Ausgänge etwa Teil der Funktionsmodule, Teil einer Verbindung zweier Funktionsmodule oder auch Teil der Basiseinheit sein.
Die einzelnen Funktionsmodule sollten somit fluiddicht miteinander verbindbar beziehungsweise verbunden sein. Entsprechend kann es bevorzugt sein, wenn die Funktionsmodule jeweils mit gleichen Konnektoren derart ausgestaltet sind, dass unterschiedliche Funktionsmodule frei wählbar miteinander verbindbar und beispielsweise aneinander fixierbar sind. So können beispielsweise sämtliche Funktionsmodule am Moduleingang und am Modulausgang den gleichen Konnektor aufweisen, wobei die Konnektoren am Moduleingang und die Konnektoren am Modulausgang jeweils miteinander verbindbar sind, um so Module hintereinander schalten zu können. Die Konnektoren sind somit die Anschlussmöglichkeiten der Module selbst.
Zudem können die Konnektoren, also die Anschlüsse der Module selbst, welche auch als Modul-zu-Modul-Konnektierung bezeichnet werden können, vorzugsweise direkt in die Chip-Modul-Struktur, also in die Funktionsmodule, integriert werden, um einen einfachen und totvolumenarmen Anschluss der Module untereinander und mit der Basiseinheit, zu ermöglichen. Hierdurch kann auf eine Verbindungstechnik mit Transferkapillaren verzichtet werden, welche zu einer Reduzierung der Trenneffizienz sowie zu einer Erhöhung des Totvolumens führen würde.
Um eine geeignete Anwendbarkeit zu ermöglichen und ferner, um auch hohe Drücke in dem Mikrofluidiksystem zu ermöglichen, ist weiterhin eine Fixiereinheit zum Fixieren der Funktionsmodule in der Arbeitsanordnung und an der Basiseinheit vorgesehen.
Die Fixiereinheit ist somit insbesondere ein von den Modulen getrenntes Bauteil und zumindest teilweise Teil der Basiseinheit oder an dieser fixiert. Die Fixiereinheit wirkt auf die Module.
Dabei kann etwa eine Fixiereinheit vorgesehen sein, welche sämtliche Funktionsmodule fixieren kann, oder eine Mehrzahl an Funktionsmodulen können vorgesehen sein, um jeweils ein oder eine Mehrzahl an Funktionsmodulen an der Basiseinheit zu fixieren.
Die Basiseinheit kann somit ferner als Träger dienen, an welchem die Funktionsmodule positioniert werden und so das Mikrofluidiksystem zusammengefügt wird und entsprechend geeignet sein, die Module und die Fixiereinheit aufzunehmen oder die Module aufzunehmen und die Fixiereinheit aufzuweisen. Darüber hinaus kann die Basiseinheit wenigstens einen Eingang und wenigstens einen Ausgang aufweisen, durch welche die Funktionsmodule mit zu dem Mikrofluidiksystem externer Peripherie verbindbar sind. Entsprechende Eingänge und Ausgänge beziehungsweise Anschlüsse werden auch als „Chip-to-World“-Anschlüsse bezeichnet.
Ein hier beschriebenes Mikrofluidiksystem erlaubt es, sogenannte Lab-on-Chipmodule zur Mischung, etwa für eine Synthese beziehungsweise chemische Reaktion, für die Trennung von Gemischen und für die Detektion auszubilden, sowie die Basiseinheit als Chip-Modulhalterung, vorzusehen. Erfindungsgemäß soll es ermöglicht werden, die einzelnen Chipmodule beziehungsweise Funktionsmodule in beliebiger Anordnung miteinander zu kombinieren.
Durch die grundsätzlich von den Funktionsmodulen unabhängigen Eingänge beziehungsweise Ausgänge der Basiseinheit kann das Mikrofluidiksystem ferner die Kopplung der LoC-Module beziehungsweise der Funktionsmodule an bestehende Ausrüstung, etwa Labor-Analysengeräte wie Flüssigkeitschromatografie-Systeme sowie massenspektrometrische Detektoren, oder auch Pumpen oder andere Ausstattung, erlauben, ohne jedoch auf die genannten Beispiele beschränkt zu sein.
Beispielsweise aber nicht beschränkt auf diese beispielhafte Anwendung in Bezug auf die chemisch-pharmazeutische Industrie müssen u. a. die Synthese zur Entwicklung neuer Wirkstoffe sowie die Produktanalyse zu einem integralen analytischen Workflow zusammengeführt werden. Hierfür wurden meist spezielle technische (Insel-)Lösungen entwickelt, die nicht mit den klassischen instrumentellen analytischen Laborverfahren und Laboranlagen gekoppelt werden können. Erfindungsgemäß wird es nun möglich, eine derartige Kopplung zu realisieren und dabei zusätzlich eine hohe Anpassung an verschiedene Anwendungsfelder zu erlauben, indem eine nahezu beliebige Kombination entsprechender Funktionsmodule möglich ist. Dies kann unabhängig von der konkreten Anwendung von Vorteil sein.
Dabei werden die verschiedenen Funktionalitäten der Funktionsmodule in vorteilhafter Weise in nur einem System ermöglicht. Ein Ausweichen auf andere Systeme beziehungsweise aufwändige Verbindungen an externe Systeme zur Ausübung dieser Funktionalitäten ist nicht notwendig, was anwendungsbedingt als auch herstellungsbedingt deutliche Vorteile bietet.
Somit bietet das Mikrofluidiksystem eine Kombination an vorteilhaften Eigenschaften, die so mit den Lösungen aus dem Stand der Technik nicht möglich sind.
Bevorzugt kann die Fixiereinheit als Spanneinheit zum Verspannen der Funktionsmodule ausgebildet sein. Diese Ausgestaltung erlaubt eine besonders einfache und anpassbare Montage und Demontage des Systems. Denn durch die Spanneinheit können die Funktionsmodule miteinander verspannt beziehungsweise aneinander gepresst werden, so dass die Konnektoren der jeweiligen Funktionsmodule eine fluiddichte Verbindung ausbilden können. Zusätzlich zu einem einfachen Verbinden der Funktionsmodule miteinander kann so ein Fluidsystem geschaffen werden, welches hohen Drücken standhält, was für manche Anwendungen von großem Vorteil ist. Darüber hinaus kann so eine einfache Fixierung an der Basiseinheit erfolgen.
Beispielsweise kann eine derartige Spanneinheit ausgebildet sein, indem ein auf der Basiseinheit immobil fixiertes Anlageelement oder ein immobiles Anlageelement, das Teil der Basiseinheit ist, und ein relativ zu dem ersten Anlageelement verlagerbares zweites Anlageelement vorgesehen ist. Zwischen den Anlageelementen können die Funktionsmodule positioniert werden. Wenn nun eines der Anlageelemente wenigstens einen Eingang trägt oder mit diesem verbunden ist und ein weiteres der Anlageelemente einen Ausgang trägt oder mit diesem verbunden ist und beide Anlageelemente Konnektoren aufweisen, die mit den Konnektoren der Funktionsmodule koppelbar sind, kann ein einfaches Verspannen ermöglicht werden. Dies beispielsweise, indem bei einem Verlagern des mobilen Anlageelements zu dem immobilen Anlageelement die Konnektoren an- oder ineinander gepresst werden. Dadurch kann eine druckstabile und fluiddichte Verbindung geschaffen werden, bei der gleichzeitig die Funktionsmodule an der Basiseinheit fixiert werden.
Insbesondere bei dem Vorsehen einer Spanneinheit als Fixiereinheit aber nicht beschränkt hierauf kann es somit bevorzugt sein, dass die Funktionsmodule Konnektoren zum Verbinden benachbarter Funktionsmodule mittels An- oder Ineinanderpressen benachbarter Konnektoren aufweisen. Somit kann beispielsweise der Ausgangskonnektor eines Funktionsmoduls eine Geometrie aufweisen, die in einen Eingangskonnektor eines benachbarten Moduls geschoben werden kann, oder umgekehrt. Dies erlaubt eine einfache Herstellbarkeit, da derartige Konnektoren etwa durch Hülsen entsprechender Größe ausgebildet werden können. Darüber hinaus kann so durch bloßes Ineinanderschieben beziehungsweise Ineinanderpressen eine Dichtigkeit auch bei hohen Innendrücken ermöglicht werden. Besonders hohe Innendrücke können dabei ermöglicht werden, wenn etwa Dichtungen vorgesehen sind, welche zwischen den jeweiligen Anschlussgeometrien beziehungsweise Konnektoren vorgesehen sind und/oder wenn die Anschlüsse beziehungsweise Konnektoren zu einander korrespondierend konisch ausgestaltet sind.
Bevorzugt können sämtliche von einer Fixiereinheit, einem Eingang und einem Ausgang zumindest teilweise Teil der Basiseinheit sein. In dieser Ausgestaltung kann eine besonders einfache und anpassbare Herstellbarkeit ermöglicht werden. Denn wenn die Basiseinheit mit Eingang, Ausgang und Fixiereinheit versehen ist, können die jeweiligen Funktionsmodule je nach gewünschter Funktionalität an der Basiseinheit angeordnet und in Arbeitsposition fixiert werden. Somit kann die Basiseinheit für eine Vielzahl verschiedener Konfigurationen der Funktionsmodule verwendet werden, ohne dass hierfür Anpassungen notwendig sind. Darüber hinaus ist eine Herstellbarkeit besonders einfach möglich.
Es kann ferner bevorzugt sein, dass die Basiseinheit eine veränderbare Länge aufweist. Dadurch können auch die Außenabmessungen, insbesondere die Länge entlang der Flussrichtung des Fluids entlang der Module, entsprechend den gewählten Funktionsmodulen und insbesondere deren Anzahl angepasst werden. Werden somit eine geringe Anzahl oder kleinere Funktionsmodule verwendet, kann die Länge der Basiseinheit geringer gewählt werden, als bei einer größeren Anzahl beziehungsweise bei größeren Funktionsmodulen. Dadurch kann das Mikrofluidiksystem stets so kompakt wie möglich ausgebildet sein.
Eine Veränderbarkeit der Länge kann beispielsweise ermöglicht werden, indem die Basiseinheit entlang der Länge eine wählbare Anzahl an Segmenten aufweist, die entsprechend eingebaut oder entfernt werden können, oder dass unterschiedliche Segmente der Basiseinheit entlang der Länge ineinander geschoben werden können, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein.
Es ist ferner bevorzugt, dass wenigstens eines von wenigstens einem Funktionsmodul und der Basiseinheit zumindest teilweise aus wenigstens einem Thermoplast gefertigt ist. Derartige Materialen eignen sich auf besonders vorteilhafte Weise dazu, etwa unter Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens, auch sehr feine Strukturen zu erzeugen, durch die ein Mikrofluidiksystem erzeugbar ist. Darüber hinaus können mit Thermoplasten, wie etwa Kunststoffen oder Glas, die Anforderungen an ein Mikrofluidiksystem erfüllt werden, etwa hinsichtlich der Stabilität. Derartige Materialien sind ferner gegenüber herkömmlichen fluiden Systemen inert, so dass etwa in dem Mikrofluidiksystem durchgeführte Reaktionen oder andere Funktionen, wie etwa Analytik, nicht negativ beeinflusst werden. Gleiches gilt für die Verwendung von Glas zur Herstellung der Basiseinheit und/oder der Funktionsmodule. Beispiele für Kunststoffe umfassen etwa Zweikomponenten-Kunststoffe beziehungsweise Hochleistungskunststoffe. Darüber hinaus lassen sich derartige Materialien zumindest zum Teil durch ihre Transparenz auch für eine photometrische Detektion verwenden, indem entsprechende Strahlung ein- und ausgekoppelt werden kann.
Geeignete Kunststoffe umfassen beispielsweise einen Kunststoff, der ausgewählt ist aus Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherketonketon (PEKK), Polycarbonat (PC), Fluorethylenpropylen (FEP), Polyethylenterephtalat (PETG), sowie Polyetherimid (PEI) und Polytetrafluorethylen (PTFE). Derartige auch als Hochleistungskunststoffe bezeichneten Kunststoffe zeichnen sich zusätzlich zu den oben genannten Eigenschaften durch eine Langlebigkeit und hohe mechanische Stabilität wie auch eine Inertheit gegen eine Vielzahl an Fluiden aus.
Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass das einheitliche Fluidsystem druckstabil bis zu einem Bereich von ≥ 500 bar, insbesondere ≥ 800 bar, besonders bevorzugt ≥ 1200 bar, etwa bis ≥ 1500 bar. In anderen Worten kann das System, insbesondere von einem Eingang zu einem Ausgang und umfassend alle arbeitenden Funktionsmodule, eine Druckstabilität gegen innere Drücke, also in dem Fluidiksystem vorliegende Drücke, stabil sein. Eine derartige Ausgestaltung kann besonders bevorzugt sein, um beispielsweise ultrahochleistungsflüssigkeitschromatografische Anwendungen durchzuführen, aber auch für andere Anwendungen. Beispielsweise können höhere Flussraten beispielsweise für schnelle Analysen ermöglicht werden.
Eine derartige Druckstabilität kann beispielsweise durch das Vorsehen entsprechender Konnektoren erreicht werden, welche entsprechende Dichtungen aufweisen können und beispielsweise durch eine Spannvorrichtung als Fixiervorrichtung an- oder ineinandergepresst werden. Darüber hinaus kann die Kraft, welche durch den Druck auf die Kapillaren wirkt, reduziert werden, indem die Kapillaren einen geringen Durchmesser aufweisen. Entsprechend kann durch eine Anpassung der Kapillargröße, insbesondere innerhalb des zuvor beschriebenen Bereichs, die Druckstabilität angepasst werden.
Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass wenigstens einer von einem Eingang und von einem Ausgang, bevorzugt sowohl ein Eingang, als auch ein Ausgang, einen Gewindeanschluss für eine Kapillare aufweist, wodurch die Verbindung von Kapillaren etwa über Ferrules und Schrauben und/oder Fittings ermöglicht werden kann. Beispielsweise können sämtliche vorhandenen Eingänge und Ausgänge einen entsprechenden Anschluss mit einem Gewinde aufweisen. Derartige Anschlüsse sind vorteilhaft, da sie das Anschließen des Mikrofluidiksystems an herkömmliche Fluidiksysteme externer Peripherie, insbesondere an bereits bestehende Systeme, erlauben. Derartige auch als „Chip-to- World“ genannten Anschlüsse sind somit sehr anwendungsbreit anschließbar und erlauben ferner problemlos eine Dichtheit auch in den vorgenannten Druckbereichen. Unter einem Gewindeanschluss für eine Kapillare beziehungsweise unter einer Kapillarschraubverbindung ist insbesondere ein Anschluss zu verstehen, in welchen eine übliche Kapillare geschoben werden kann und welche dann durch Festschrauben einer Hülse auf einem Gegenstück die Kapillare druckdicht angebunden werden kann.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des Mikrofluidiksystems wird auf die Ausführungen des Verfahrens, auf die Figuren und auf die Beschreibung der Figuren verwiesen.
Beschrieben wird ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Mikrofluidiksystems, wie dies vorstehend beschrieben ist, aufweisend die Verfahrensschritte:

a) Bereitstellen einer Basiseinheit; und
b) Fixieren wenigstens eines Funktionsmoduls, bevorzugt einer Mehrzahl an Funktionsmodulen, an der Basiseinheit unter Ausbilden eines einheitlichen Fluidsystems, welches von wenigstens einem Eingang zum Eintragen von Flüssigkeit in das Mikrofluidiksystem zu wenigstens einem Ausgang zum Austragen von Flüssigkeit aus dem Mikrofluidiksystem verläuft.

Es wird somit ein Verfahren beschrieben, durch welches das zuvor beschriebene Mikrofluidiksystem herstellbar ist.
Das Verfahren umfasst zunächst gemäß dem Verfahrensschritt a) das Bereitstellen einer Basiseinheit. Die Basiseinheit umfasst vorteilhafter Weise wenigstens einen Eingang und wenigstens einen Ausgang des Mikrofluidiksystems, welche einen Anschluss an externe Komponenten erlauben können. Darüber hinaus ist auf der Basiseinheit ein Aufnahmebereich vorgesehen, der dazu dient, ein oder eine Mehrzahl an Funktionsmodulen aufzunehmen beziehungsweise diese dort zu positionieren und zu fixieren. Um dies zu realisieren ist es ferner vorgesehen, dass insbesondere als Bestandteil der Basiseinheit eine Fixiereinheit vorgesehen ist. Diese dient dazu, die aufgebrachten Funktionsmodule auf der Basiseinheit zu fixieren.
Entsprechend umfasst das Verfahren gemäß dem Verfahrensschritt b) das Fixieren eines Funktionsmoduls oder einer Mehrzahl an Funktionsmodulen an der Basiseinheit unter Ausbilden eines einheitlichen Fluidsystems, welches von wenigstens einem Eingang zum Eintragen von Flüssigkeit in das Mikrofluidiksystem zu wenigstens einem Ausgang zum Austragen von Flüssigkeit aus dem Mikrofluidiksystem verläuft. Somit werden die Funktionsmodule zum Einen an der Basiseinheit fixiert und zum Anderen dabei derart miteinander beziehungsweise mit dem Eingang und dem Ausgang verbunden, dass ein Fluid den Eingang passieren kann und durch die Funktionsmodule zum Ausgang und aus diesem heraus fließen kann.
Hinsichtlich der Herstellung der Funktionsmodule aber auch der Basiseinheit kann es besonders bevorzugt sein, wenn diese zumindest zum Teil durch ein additives Herstellungsverfahren erfolgt. Dies erlaubt auch unter Verwendung geeigneter Materialien, wie etwa einem Thermoplast wie vorstehend beispielhaft aufgezählt, feine Strukturen zu erzeugen, welche Kapillargrößen eines Mikrofluidiksystems erlauben und ferner auch hohen Innendrücken standzuhalten.
Darüber hinaus können ganze Bauteile, wie etwa Funktionsmodule oder die Basiseinheit vollständig und gegebenenfalls in einem Schritt gedruckt werden, was die Herstellung weiter verbessern kann.
Das additive Herstellungsverfahren wird im Folgenden spezifisch für die Herstellung des Mikrofluidiksystems beschrieben, ist aber grundsätzlich bei jeglicher Anwendung anwendbar, also um jegliche Art von Bauteilen zu erzeugen.
Hinsichtlich des additiven Fertigungsverfahrens kann es besonders bevorzugt sein, dass als ein solches die Materialextrusion (MEX) verwendet wird, wobei additive Fertigungsverfahren nicht hierauf beschränkt sind. Insbesondere die Materialextrusion bietet die Möglichkeit der Multi- Materialverarbeitung. Beim MEX-Verfahren werden die zu druckenden Materialien, beispielsweise thermoplastische Materialien, vor oder in einer Düse aufgeschmolzen und computergesteuert abgelegt. Dieses Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Kosteneffizienz, eine hohe Fertigungsgeschwindigkeit und einen hohen Bedienkomfort aus, so dass die Anwendbarkeit allgemein sehr vorteilhaft ist. Darüber hinaus kann die Herstellung besonders flexibel sein, da eben mit einer Mehrzahl von Materialien höchstgenau ein Produkt erzeugt werden kann. Grundsätzlich stellt ein Durchmesser der Extrusionsdüse von 0,4 mm einen guten Kompromiss zwischen Genauigkeit und Geschwindigkeit dar, wobei geringere Werte, etwa in einem Bereich von 0,1 mm, bevorzugt sein können.
Durch Anwendung eines Multi-Extrusionsverfahrens kann es ferner erreicht werden, dass mikrofluidische Strukturen für Lab-on- Chip-Anwendungen wesentlich schneller, kostengünstiger und in Bezug auf das benötigte Layout flexibler hergestellt werden können, als bei Nutzung klassischer Fertigungsverfahren. Hierbei muss klar zwischen der Fertigung einzelner Layout-Strukturen (Rapid-Prototyping), der additiven Fertigung zur Herstellung individueller Kleinserien und der Produktion der Massenfertigung im Spritzguss, Prägung etc. unterschieden werden.
Bezogen auf die Verwendung und/oder Herstellung von Chips für einen analytischen Workflow liegen die Probleme des Stands der Technik z. B. in der Verarbeitung unterschiedlicher Materialien, der Integration komplexer Strukturen und der Funktionalisierung. Fertigungstechniken wie z. B. Selektives Laser Etching (SLE) oder Fotolithografie ermöglichen zwar die Fertigung von Mikrokanälen, Anschlusstechniken oder Interfaces zur Einbindung peripherer Analysengeräte sind jedoch nicht zu realisieren, ohne auf konventionelle spanende Fertigungsverfahren zurückgreifen zu müssen. Ein weiteres Problem kann das Bonding einzelner Lagen sein.
All diese Nachteile können durch Verwendung des Materialextrusionsverfahrens unter Herstellung eines erfindungsgemäßen Mikrofluidiksystems umgangen werden.
Darüber hinaus bietet sich wie angedeutet der Vorteil, dass das additive Fertigungsverfahren mit wenigstens einem thermoplastischen Material, beispielsweise wenigstens drei verschiedenen thermoplastischen Materialien durchgeführt werden kann. Beispielsweise können fünf verschiedene thermoplastische Materialien, beispielsweise ausgewählt aus Kunststoffen und Glas, verwendet werden.
Dies kann für das Erzeugen der Basiseinheit oder der Funktionsmodule von großem Vorteil sein. Für die Fertigung mikrofluidischer Funktionsmodule, wie etwa Mischmodulen, Reaktionsmodulen, Aufreinigungsmodulen, Trennmodulen und Analysemodulen, wird beispielsweise eine Fertigungsanlage verwendet, die unterschiedliche Hochleistungskunststoffe mit einer Genauigkeit von bis zu 50 µm bei einer entsprechenden Düse in einem Bauprozess verarbeiten kann.
Unterschiedliche thermoplastische Materialien können insbesondere deshalb von Vorteil sein, da so unterschiedliche Bereiche mit unterschiedlichen Eigenschaften erzeugt werden können. So können beispielsweise an einen vergleichsweise harten Kunststoff vergleichsweise weiche Dichtungen angedruckt werden. Ferner ist es möglich, beispielsweise unter Verwendung transparenter Materialien, wie etwa Glas, manche Bereiche für eine Detektion strahlendurchlässig zu machen, wohingegen andere Bereiche nicht strahlendurchlässig sein sollen.
Darüber hinaus kann es für die Herstellung der hier avisierten Chipmodule notwendig sein, zusätzlich zu einem ersten Werkstoff, ein weiteres Material zu verbauen, welches als Stützstruktur dient. Dieses soll nach der Fertigstellung mit einem Lösungsmittel ausgewaschen werden. Auch dies ist durch das Drucken mit mehreren Materialien problemlos möglich. Beispielhafte Materialien für Stützstrukturen umfassen etwa Acrylnitril-Butadien-Styrol-Kunststoff, Polyvinylalkohol, Butadiendiol-Vinylalkohol-Copolymer.
Diese Anwendungen sind jedoch nur beispielhaft und es sind für den Fachmann verschiedene Möglichkeiten denkbar, wo unterschiedliche thermoplastische Materialien von großem Vorteil sein können.
Dazu wird eine Multi-Material-Unit (MMU) in die Anlage implementiert. Diese dient dazu, einen automatischen Wechsel des zu druckenden Materials, etwa Filaments, zu erlauben und/oder einen automatischen Wechsel des Druckkopfes zu erlauben.
Darüber hinaus gibt es weitere Merkmale, welche ein additives Verfahren, insbesondere zur Herstellung eines Mikrofluidiksystems, verbessern können. So kann etwa eine Temperiereinheit, wie etwa eine Bauraumheizung, vorgesehen sein, durch welche der Raum, in welchem die zu erzeugende Struktur additiv gefertigt wird, temperierbar, wie etwa heizbar ist. Dies ermöglicht es, die Maßtreue der Bauteile wesentlich zu erhöhen und die Verarbeitung von Hochleistungskunststoffen bei geeigneten Temperaturen, wie etwa von wenigstens 80 °C, ausführen zu können. Ferner kann die Schichtanbindung verbessert werden und das sogenannte „Warping“, also ein Materialverzug, reduziert werden.
Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal des additiven Fertigungsprozesses kann darin bestehen, die Anordnung zur additiven Fertigung derart auszugestalten, dass der Raum, in welchem die zu erzeugende Struktur erzeugt wird, mit einer definierten Atmosphäre versehen werden kann. In anderen Worten kann es bevorzugt sein, dass die additive Fertigung in einem Raum mit einstellbarer Atmosphäre durchgeführt wird.
Dies kann grundsätzlich jegliche definierte beziehungsweise vorbestimmte Beeinflussung der Atmosphäre bedeuten, in welcher der Druckkopf beziehungsweise die Extrusionsdüsen angeordnet sind und in dem das Substrat angeordnet ist, auf welchem das Bauteil, wie etwa das Funktionsmodul oder die Basiseinheit, erzeugt wird.
Beispielsweise kann die Atmosphäre mit einem Schutzgas versehen werden, etwa indem entsprechende Gaszuführungen vorgesehen sind und etwa eine Pumpe zum Absaugen der Atmosphäre vorgesehen ist und/oder indem die Atmosphäre umgewälzt wird, wobei Abluft entfernt werden kann.
Eine derartige Pumpe kann noch den weiteren Vorteil erlauben, dass beispielsweise beim Drucken freiwerdende Gase oder andere Verunreinigungen gesammelt werden können, so dass es verhindert wird, dass diese an die umgebende Atmosphäre abgegeben werden. Dies verbessert den Arbeitsschutz und ferner die ökologischen Gesichtspunkte einer derart ausgestatteten Vorrichtung zur additiven Fertigung.
Darüber hinaus ist die Atmosphäre, etwa durch das Vorsehen entsprechender Filter, von Partikeln befreibar und kann ferner auch auf weitere Weise inertisiert werden. Dies kann auch etwa ein Trocknen der Atmosphäre erlauben. Grundsätzlich kann diese Ausgestaltung oder auch andere Vorteile wie vorstehend beschrieben durch ein permanentes Umwälzen der Atmosphäre erlaubt werden, oder auch durch eine Behandlung der Atmosphäre vor dem Einlassen in den entsprechenden Raum zum Herstellen des Bauteils.
Grundsätzlich kann eine einstellbare, insbesondere inertisierbare Atmosphäre gerade zum Ausbilden sehr kleiner Strukturen wie dem Ausbilden des Mikrofluidiksystems von großem Vorteil sein, um definierte Strukturen zu schaffen, bei denen Fehlstellen weitestgehend oder vollständig verhindert werden können. Dadurch können die Eigenschaften, wie etwa eine Inertheit gegen zu reagierende oder zu analysierende Systeme oder auch eine mechanische Stabilität verbessert werden.
Weiterhin kann ein Düsendurchmesser von beispielhaft 0,1 mm von Vorteil sein, um die hochgenauen Strukturen zu drucken.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des Verfahrens wird auf die Beschreibung des Mikrofluidiksystems, auf die Figuren und auf die Beschreibung der Figuren verwiesen.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln, als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können, und wobei die Erfindung nicht auf die folgende Zeichnung, die folgende Beschreibung und das folgende Ausführungsbeispiel beschränkt ist.
Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Mikrofluidiksystems;
2 eine schematische Ansicht eines ersten Funktionsmoduls für ein Mikrofluidiksystem gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Ansicht eines weiteren Funktionsmoduls für ein Mikrofluidiksystem gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Ansicht eines weiteren Funktionsmoduls für ein Mikrofluidiksystem gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 eine Detailansicht des Mikrofluidiksystems nach 1;
6 einen Grundkörper einer Basiseinheit eines Mikrofluidiksystems gemäß der Erfindung; und
7 eine Vorrichtung zur additiven Fertigung für ein Mikrofluidiksystem gemäß der Erfindung.

In der 1 ist ein Mikrofluidiksystem 10 gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein derartiges Mikrofluidiksystem 10 ist insbesondere ein sogenanntes Lab-on-Chip System, welches eine Mehrzahl an Funktionen ausführen kann.
Das Mikrofluidiksystem 10 gemäß der 1 weist eine Basiseinheit 12 und eine Mehrzahl an der Basiseinheit 12 fixierbarer Funktionsmodule 14 auf. Die Funktionsmodule 14 sind modular ausgestaltet und in einer Arbeitsanordnung miteinander zum Ausbilden eines einheitlichen Fluidsystems verbindbar. Hierzu weist die Basiseinheit 12 einen Aufnahmeraum 16 auf, an dem die Funktionsmodule 14 angeordnet und fixiert werden können.
Neben dem Aufnahmeraum 16 ist ein erstes Anlageelement 18 gezeigt, welches an einem Grundkörper 54 der Basiseinheit 12 feststehen kann oder, wie in 1 gezeigt, Teil des Grundkörpers 54 sein kann, und eine Eingangsanordnung 20 umfasst. Die Eingangsanordnung 20 dient dazu, ein Fluid in das Mikrofluidiksystem 10 zu leiten und umfasst gemäß 1 drei Eingänge 22, welche mit einer externen Komponente gekoppelt werden können. Grundsätzlich sind auch mehr oder weniger Eingänge 22 möglich, bis hin zu einem Eingang 22. Die drei Eingänge 22 sind jeweils durch eine Leitung bzw. Kapillare 58 mit einem Konnektor 24 verbunden, wobei die Konnektoren 24 gleich ausgestaltet sind und mit einem Funktionsmodul 14 verbunden werden können. Je nach Funktionsmodul 14 kann nur einer, können zwei oder können auch alle drei Konnektoren 24 verwendet werden. Ferner weisen auch die Funktionsmodule 14 entsprechende Konnektoren 24 auf, welche eine Verbindung der Funktionsmodule 14 untereinander erlauben können.
Weiterhin ist gegenüberliegend zu der Eingangsanordnung 20 und ebenfalls neben beziehungsweise benachbart zu dem Aufnahmeraum 16 eine Ausgangsanordnung 26 vorgesehen, die drei Ausgänge 28 aufweist, die mit Konnektoren 24 verbunden sind. Je nach verwendeten Funktionsmodulen 14 ist es wiederum möglich, einen, zwei oder sämtliche drei der Konnektoren 24 beziehungsweise der Ausgänge 28 zu verwenden. Darüber hinaus ist es vergleichbar zu den Eingängen 22 möglich, mehr oder weniger als drei Ausgänge 28 zu verwenden.
Ferner sei erwähnt, dass zusätzlich zu den gezeigten Eingängen 22 beziehungsweise Ausgängen 28 weitere nicht gezeigte Eingänge 22 und/oder Ausgänge vorgesehen sein können, etwa positioniert zwischen den Funktionsmodulen 14 und/oder beispielsweise verschließbar durch entsprechende Ventile.
Es ist ferner gezeigt, dass am Flussausgang der Eingangsanordnung 20 und der Funktionsmodule 14 Ausgangskonnektoren 31 vorgesehen sind und dass am Flusseingang der Ausgangsanordnung 26 und der Funktionsmodule 14 Eingangskonnektoren 30 vorgesehen sind. Die Eingangskonnektoren 30 und die Ausgangskonnektoren 31 sind zueinander entsprechend ausgebildet und so miteinander verbindbar.
Es ist ferner gezeigt, dass die Ausgangsanordnung 26 Teil eines zweiten, beweglichen Anlageelements 32 ist. Dieses kann insbesondere beweglich sein durch beispielsweise das Drehen von Schrauben 34, die an dem Anlageelement 32 anliegen, beziehungsweise an diesem befestigt sind. Werden die Schrauben 34 etwa durch einen Motor 36 in Rotation versetzt, kann das Anlageelement 32 in der Richtung des Pfeils 38, je nach Rotationsrichtung der Schrauben 34, verlagert werden. Dadurch können die Funktionsmodule 14 aneinander gepresst werden und so ein fluiddichtes System ausbilden. Insbesondere können die Konnektoren 24 beziehungsweise die Eingangskonnektoren 30 und die Ausgangskonnektoren 31 ineinander geschoben werden, wodurch eine druckdichte Fluidführung entstehen kann. Dies kann beispielsweise realisierbar sein, wenn die Ausgangskonnektoren 31 männliche Konnektoren 24 sind und die Eingangskonnektoren 30 weibliche Konnektoren 24 sind, oder umgekehrt. Eine besonders dichte Ausgestaltung kann beispielsweise erreicht werden, wenn die Konnektoren 24 eine konische Form aufweisen oder wenn zwischen diesen eine Dichtung angeordnet ist.
Grundsätzlich kann es so ermöglicht werden, dass das einheitliche Fluidsystem gegen einen Innendruck druckstabil bis zu einem Bereich von ≥ 500 bar, insbesondere ≥ 800 bar, besonders bevorzugt ≥ 1200 bar, etwa bis ≥ 1500 bar ist.
Dem Vorstehenden folgend ist somit eine Fixiereinheit 56 zum Fixieren der Funktionsmodule 14 an der Basiseinheit 12 als Spanneinheit zum Verspannen der Funktionsmodule 14 aneinander ausgebildet. Beispielsweise kann die Fixiereinheit durch das bewegliche Anlageelement 32 und den Motor 36 gebildet sein.
Die 1 zeigt dabei eine Ausgestaltung, in der die Funktionsmodule 14 nicht an der Basiseinheit 12 fixiert, sondern noch lose positioniert sind, jedoch durch Verlagerung des beweglichen Anlageelements 32 an der Basiseinheit 12 beziehungsweise dem Grundkörper 54 fixiert werden können.
Genauer ist die Fixierung der Funktionsmodule 14 wie auch der Fixiereinheit 56 in der 5 gezeigt. Der Grundkörper 54 der Basiseinheit 12 weist, wie auch in 6 gezeigt ist, einen U-förmigen Querschnitt auf und umfasst an beiden Schenkeln 62 Nuten 60. Die Funktionsmodule 14, wie auch beispielsweise das zweite Anlageelement 32 mitsamt Motor 36 können, etwa durch entsprechende Vorsprünge 64 oder die grundsätzliche Form der Bauteile, in die Nuten 60 geschoben werden, so dass diese Bauteile grundsätzlich in einer vertikalen Ebene vor einem Lösen von der Basiseinheit 12 gesichert sind. Wenn nun wie vorstehend beschrieben das zweite Anlageelement 32 in Richtung der Funktionsmodule 14 verschoben wird, werden diese aneinander gepresst und so das einheitliche und fluiddichte Fluidsystem ausgebildet. Die in der Nut 60 befindlichen Bauteile können ferner durch entsprechende Befestigungsmittel, wie etwa mit dem Grundkörper 54 in der Nut 60 fixierend wirkenden Verschlusselemente, vor einem Herausrutschen gesichert werden.
Zurückkommend auf 1 ist ferner gezeigt, dass die Nuten 60 deckenseitige Öffnungsbereiche 66 aufweisen, welche die Nuten 60 deckenseitig öffnen und zwischen denen Verschlussbereiche 67 der Nuten 60 vorliegen, welche die Nuten deckenseitig verschließen. Ferner weisen die Funktionsmodule 14 ebenfalls Verschlussbereiche 68 auf, welche in der Nut 60 geführt werden und Öffnungsbereiche 69, welche eine geringere Breite aufweisen, als die Verschlussbereiche 68. Wenn die Nuten 60 und die Funktionsmodule 14 hinsichtlich der Öffnungsbereiche 66, 69 und der Verschlussbereiche 67, 68 eine komplementäre Struktur aufweisen, können die in den Nuten 60 befindlichen Funktionsmodule 14 vertikal bei entsprechender Position aus der Nut 60 geführt und so gelöst werden beziehungsweise sind vertikal in der Nut 60 befestigt. Dadurch können Funktionsmodule 14 etwa auch bei an dem Grundkörper 54 angeordneter Fixiereinheit 56 entfernt werden, indem sie aus einer fixierenden Arbeitsposition, in der Verschlussbereiche 67, 68 und Öffnungsbereiche 66, 69 nicht überlappen, in den Nuten 60 verschoben werden und bei Überlappung der Verschlussbereiche 67, 68 und Öffnungsbereiche 66, 69 vertikal entfernt werden können. Dadurch kann eine besonders einfache Austauschbarkeit der Funktionsmodule 14 erreicht werden. Die Befestigungsbereiche 68 der Funktionsmodule 14 können dabei jeweils einem Vorsprung 64 entsprechen.
Als Funktionsmodule 14 sind in der 1 insbesondere ein Mischmodul 40, das auch als Reaktionsmodul dient, ein Aufreinigungsmodul 42 und ein Analysemodul 44 gezeigt, welche in den 2 bis 4 in größerem Detail gezeigt sind. Alle Funktionsmodule 14 können einen quaderförmigen Körper 48 aufweisen, der beispielhafte Maße von 5 cm x 3 cm x 0,5 cm aufweisen kann und beispielsweise aus PEEK gefertigt sein kann. Grundsätzlich können die Außenmaße sämtlicher Funktionsmodule 14 gleich sein, um so eine besonders hohe Austauschbarkeit zu gewährleisten.
Das in den 1 und 2 gezeigte Mischmodul 40 dient der Mischung eines Substanzgemisches und ferner der Initiierung einer chemischen Reaktion von in einem das Mischmodul 40 durchströmenden Fluid angeordneten Substanzen. Das Mischmodul 40 ist somit mit dem Ziel bestimmt, wenigstens zwei Reaktanden zusammenzuführen und eine homogene Vermischung zu gewährleisten sowie der nachfolgenden Reaktion genügend Zeit zur Verfügung zu stellen. Dazu benutzt es wenigstens zwei Konnektoren 24, deren Kapillare 46 beziehungsweise Kapillaren 46 zusammengeführt werden. Die Kapillaren 46 sind insbesondere Mikrofluidik-Kanäle beziehungsweise können auch als Fluidkanäle bezeichnet werden und weisen bevorzugt einen Durchmesser auf in einem Bereich von ≤ 500 µm auf.
Um eine adäquate Durchmischung durch Diffusionseffekte zu erreichen, kann die Kapillare 46 insbesondere nach der Zusammenführung einen Durchmesser von beispielsweise 50 µm besitzen. Um genügend Reaktionszeit zu ermöglichen wird eine Kanallänge nach der Zusammenführung von beispielsweise 10 cm angestrebt. Durch eine serielle Kopplung einer nahezu beliebigen Anzahl an Mischmodulen 40 kann die Reaktionszeit entsprechend verlängert werden. Grundsätzlich und unabhängig des spezifischen Funktionsmoduls kann es vorgesehen sein, dass die Länge der Kapillare 46 in einem Modul beispielsweise zwischen 5 cm und 15 cm liegt. Um die Kapillarlänge zu ermöglichen, kann die Kapillare 46 beispielsweise in einem Mischmodul 40 oder Reaktionsmodul beispielsweise eine Mäanderform aufweisen.
Das Aufreinigungsmodul 42 dient beispielsweise der direkten Trennung des Substanzgemisches beziehungsweise kann grundsätzlich dem Anreichern, Aufreinigen und/oder Trennen einer Substanz dienen. Es umfasst den Körper 48 beinhaltend eine durchgehende Kapillare 46 mit einem beispielhaften Durchmesser zwischen 300 µm und 500 µm, der mit beispielsweise einer monolithischen stationären Phase 50 funktionalisiert ist und somit als Chromatografiemodul ausgestaltet ist. Dadurch kann durch entsprechende physikalische Effekte eine Auftrennung des Substanzgemisches erfolgen.
Das Analysemodul 44 ermöglicht eine beispielsweise optische Analyse. Das Analysemodul 44 soll die direkte Integration von einfachen Detektionsmöglichkeiten in das Mikrofluidiksystem 10 bieten. Dabei kann beispielsweise UV/Vis-Spektroskopie als spektroskopische Methode eingesetzt werden, da sie auf viele analytische Fragestellungen anwendbar ist. Das Analysemodul 44 umfasst eine Kapillare 46, die beispielsweise einen Durchmesser von 50 µm aufweist und z-förmig durch den Körper 48 verläuft. Auf diese Weise kann die Anbindung von Glasfasern 52 zur spektralen Analyse realisiert werden. Vorteilhaft kann es sein, dieses Modul aus PTFE zu fertigen, um unerwünschte Fluoreszenzanregungen zu vermeiden.
Grundsätzlich ist die Anordnung der Funktionsmodule 14 jedoch frei wählbar, beispielsweise kann ein Analysemodul 44 auch direkt vor dem Aufreinigungsmodul 42 positioniert werden, um die vollständige Reaktion in dem Mischmodul 40 beziehungsweise Reaktionsmodul zu überwachen.
Die Herstellung des Mikrofluidiksystems 10 kann zumindest teilweise unter Verwendung der additiven Fertigung erfolgen, insbesondere mittels der Materialextrusion. Eine entsprechende Druckvorrichtung ist in der 7 gezeigt.
Die Druckvorrichtung 70 weist einen Druckraum 72 auf, in dem das herzustellende Bauteil gedruckt wird. Der Druckraum 72 kann dabei mit einstellbarer Atmosphäre versehen werden. Hierzu kann der Druckraum 72, etwa mittels Aluminiumplatten oder Edelstahlplatten, oder mittels Glasplatten 74, wie in 7 gezeigt, hermetisch abgedichtet werden, um einen Gasaustausch mit der Umgebung zu verhindern. Es können jedoch eine oder mehrere Öffnungen 76 beziehungsweise Anschlüsse vorgesehen sein. Diese können beispielsweise verwendet werden, um etwa Umwälzpumpen anzuschließen und so etwa unter Zwischenschaltung von Filtern eine Aufreinigung der Atmosphäre, beispielsweise zur Partikelreduktion, zu erlauben. Beispielsweise kann ein Aktivfilter zur Reduktion von Zersetzungsgasen vorgesehen sein. Weitere Nutzungsmöglichkeiten der Öffnungen 76 können Schutzgasquellen oder Gasauslässe sein.
Weiterhin kann innerhalb des Druckraums eine sogenannte Multimaterialeinheit (MMU, Multi-Material-Unit) vorgesehen sein, Diese dient dazu, einen automatischen Wechsel des zu druckenden Materials, etwa Filaments, und/oder einen automatischen Wechsel des Druckkopfes zu erlauben.
Bezugszeichenliste

10: Mikrofluidiksystem
12: Basiseinheit
14: Funktionsmodul
16: Aufnahmeraum
18: erstes Anlageelement
20: Eingangsanordnung
22: Eingang
24: Konnektor
26: Ausgangsanordnung
28: Ausgang
30: Eingangskonnektor
31: Ausgangskonnektor
32: zweites Anlageelement
34: Schraube
36: Motor
38: Pfeil
40: Mischmodul
42: Aufreinigungsmodul
44: Analysemodul
46: Kapillare
48: Körper
50: stationäre Phase
52: Glasfaser
54: Grundkörper
56: Fixiereinheit
58: Kapillare
60: Nut
62: Schenkel
64: Vorsprung
66: Öffnungsbereich
67: Befestigungsbereich
68: Befestigungsbereich
69: Öffnungsbereich
70: Druckvorrichtung
72: Druckraum
74: Glasplatte
76: Öffnung

Claims

Mikrofluidiksystem (10), aufweisend eine Basiseinheit (12) und eine Mehrzahl an der Basiseinheit (12) fixierbarer Funktionsmodule (14), die insbesondere ausgewählt sind aus Mischmodulen (40), Reaktionsmodulen, Aufreinigungsmodulen (42), Trennmodulen und Analysemodulen (44), wobei die Funktionsmodule (14) modular ausgestaltet sind und in einer Arbeitsanordnung miteinander zum Ausbilden eines einheitlichen Fluidsystems verbindbar sind, welches von wenigstens einem Eingang (22) zum Eintragen eines Fluids in das Mikrofluidiksystem (10) zu wenigstens einem Ausgang (28) zum Austragen des Fluids aus dem Mikrofluidiksystem (10) verläuft, und wobei das Mikrofluidiksystem (10) ferner eine Fixiereinheit (56) zum Fixieren der Funktionsmodule (14) in der Arbeitsanordnung und an der Basiseinheit (12) aufweist.
Mikrofluidiksystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiereinheit (56) als Spanneinheit zum Verspannen der Funktionsmodule (14) ausgebildet ist.
Mikrofluidiksystem (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsmodule (14) Konnektoren (24) zum Verbinden benachbarter Funktionsmodule (14) mittels An- oder Ineinanderpressen benachbarter Konnektoren (24) aufweisen.
Mikrofluidiksystem (10) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiereinheit (56), ein Eingang (20) und ein Ausgang (26) zumindest teilweise Teil der Basiseinheit (12) sind.
Mikrofluidiksystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiseinheit (12) eine veränderbare Länge aufweist.
Mikrofluidiksystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines von wenigstens einem Funktionsmodul (14) und der Basiseinheit (12) zumindest teilweise aus wenigstens einem Thermoplast, insbesondere einem Kunststoff oder Glas, gefertigt ist.
Mikrofluidiksystem (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff ausgewählt ist aus Polyetheretherketon, Polyetherketonketon Polycarbonat, Fluorethylenpropylen, Polyethylenterephthalat, Polyetherimid, Polytetrafluorethylen.
Mikrofluidiksystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrofluidiksystem (10) zumindest zum Teil Kapillaren (46) mit einem Durchmesser in einem Bereich von ≤ 500 µm aufweist.
Mikrofluidiksystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das einheitliche Fluidsystem druckstabil bis zu einem Bereich von ≥ 500 bar, insbesondere ≥ 800 bar, besonders bevorzugt ≥ 1200 bar, etwa bis ≥ 1500 bar, ist.
Mikrofluidiksystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer von einem Eingang (22) und von einem Ausgang (28), bevorzugt sowohl ein Eingang (22) und ein Ausgang (28) einen Gewindeanschluss für eine Kapillare aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Mikrofluidiksystems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, aufweisend die Verfahrensschritte: a) Bereitstellen einer Basiseinheit (12); und b) Fixieren wenigstens eines Funktionsmoduls (14) an der Basiseinheit (12) unter Ausbilden eines einheitlichen Fluidsystems, welches von wenigstens einem Eingang (22) zum Eintragen von Flüssigkeit in das Mikrofluidiksystem (10) zu wenigstens einem Ausgang (28) zum Austragen von Flüssigkeit aus dem Mikrofluidiksystem (10) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines von wenigstens einem Funktionsmodul (14) und der Basiseinheit (12) mittels additiver Fertigung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als additives Fertigungsverfahren Materialextrusion verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das additive Fertigungsverfahren mit wenigstens drei verschiedenen thermoplastischen Materialien durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die additive Fertigung in einem Raum mit einstellbarer Atmosphäre durchgeführt wird.