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Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Mikrofluidik und kann beispielsweise bei Lab-on-Chips eingesetzt werden. Die Erfindung betrifft ein Kompartiment mit einem Reagenz, wie eine Kammer oder einen abgeschlossenen Bereich in dem das Reagenz angeordnet ist, wobei das Kompartiment eine Versieglung aufweist. Zudem betrifft die Erfindung ein Kit sowie Verfahren zur Herstellung einer Versiegelung für das Kompartiment.
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Stand der Technik
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Für verschiedene Anwendungsbereiche kommen mikrofluidische Systeme, wie beispielsweise Mikrofluidikchips, zum Einsatz. Derartige, in der Regel aus Kunststoff ausgebildete, fluidische Systeme können beispielsweise für analytische, präparative oder diagnostische Anwendungen in der Medizin eingesetzt werden. In den mikrofluidischen Systemen sind typischerweise Kammern ausgebildet, die ein Reagenz vorhalten, welches beispielsweise zur Analyse einer Probe verwendet wird. Das Reagenz soll bis zu seinem Einsatz vom restlichen mikrofluidischen System und von der Umwelt abgetrennt sein. Hierfür weist die Kammer eine Siegelfolie auf, welche eine Öffnung der Kammer abschließt. Um das Reagenz für die Analyse freizusetzen, soll diese Siegelfolie kontrolliert entfernt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Kompartiment mit einem Reagenz, welches in dem Kompartiment angeordnet ist. Das Kompartiment ist beispielsweise eine mikrofluidische Kammer, in der das Reagenz angeordnet ist, oder ein durch die Siegelfolie abgeschlossener Bereich um das Reagenz herum. Das Kompartiment weist eine Siegelfolie auf, welche das Kompartiment zumindest an einer Seite abschließt und es somit versiegelt. Zudem ist ein Bimetall vorgesehen. Ein Bimetall ist ein fester Verbund von zwei Metallen und/oder Legierungen, die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Unter Wärmeeinfluss dehnen sich die beiden Metalle/Legierungen unterschiedlich aus und das Bimetall biegt sich.
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Das Bimetall ist in Form einer Helix, auch als schraubenförmig oder wendelförmig bezeichnet, ausgebildet. Unter Wärmeeinfluss biegen sich die einzelnen Windungen der Bimetall-Helix auf. Die Bimetall-Helix spreizt sich somit auf und nimmt in ihrer Länge zu, bis sie ihren ausgedehnten Zustand erreicht. Die Ausdehnung kann über die Materialien und deren Wärmeausdehnungskoeffizienten gewählt werden. Die Bimetall-Helix ist so angeordnet und ausgebildet, dass sie im ausgedehnten Zustand mit einem ersten Ende gegen die Siegelfolie zu drückt, um die Versiegelung zu brechen. Dabei ist die Kraft auf die Siegelfolie so groß, dass diese je nach Ausgestaltung des Endes der Bimetall-Helix entweder gebogen oder eingerissen/aufgerissen bzw. durchstochen/durchstoßen wird. In beiden Fällen ist die Versiegelung gebrochen. Das vorgehaltene Reagenz wird freigesetzt und kann in das mikrofluidische System eingeleitet werden. Im Grundzustand, in dem keine zusätzliche Wärme zugeführt wird, weist die Bimetall-Helix eine entsprechend kürzere Länge auf und berührt vorzugsweise die Siegelfolie nicht oder wenn nur mit geringer Kraft, sodass die Siegelfolie nicht beeinträchtigt wird und weiterhin das Kompartiment versiegeln kann. Somit wird ein durch Wärme gesteuerter Transfer von Reagenzien ermöglicht.
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Das Kompartiment kann eine mikrofluidische Kammer mit einer Öffnung sein, bei der die Siegelfolie über der Öffnung der Kammer angeordnet ist und diese abschließt. In diesem Fall versiegelt die Siegelfolie somit die Kammer. Das Reagenz und die Bimetall-Helix sind in der Kammer angeordnet. Vorzugsweise ist die Bimetall-Helix mit ihrem ersten Ende in Richtung der Siegelfolie ausgerichtet und mit ihrem zweiten Ende, welches dem ersten Ende gegenüberliegt, fest mit der Innenseite einer Wand der Kammer verbunden. Dadurch wird die Bimetall-Helix in allen Zuständen fixiert und kann im ausgedehnten Zustand den Druck an einer exakt vorgebbaren Position auf die Siegelfolie anwenden. Die Positionierung kann zudem verbessert werden, indem eine Vertiefung in die Innenseite der Wand der Kammer eingebracht wird, in der das zweite Ende des Bimetall befestigt ist.
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Das Kompartiment kann ein Bereich sein, der von der Siegelfolie vollständig umschlossen wird. Innerhalb des von der Siegelfolie umschlossenen Bereichs sind das Reagenz und die Bimetall-Helix angeordnet. In diesem Fall bildet die Siegelfolie eine Hülle um den Bereich und folglich um das darin befindliche Reagenz und versiegelt dieses. Die Ausdehnung und, wenn möglich, die Anordnung der Bimetall-Helix wird so gewählt, dass diese im ausgedehnten Zustand die Siegelfolie erreicht und Druck auf diese ausüben kann. Vorzugsweise wird die Siegelfolie in diesem Fall aufgerissen bzw. durchstochen/durchstoßen. Dies wird insbesondere erreicht, indem die Länge der Bimetall-Helix im ausgedehnten Zustand größer gewählt wird als die Reißfestigkeit der Siegelfolie es zulässt. Vorzugsweise ist die Bimetall-Helix so angeordnet, dass diese im ausgedehnten Zustand mit beiden Enden gegen die Siegelfolie drückt, um die Siegelfolie aufzureißen bzw. zu durchstechen/durchstoßen. Auf diese Weise muss die Bimetall-Helix nicht mit dem zweiten Ende an einem festen Punkt fixiert werden.
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In einer Ausgestaltung kann das erste Ende der Bimetall-Helix flächig ausgebildet sein, sodass das Ende im ausgedehnten Zustand vollflächig gegen die Siegelfolie drückt und die Siegelfolie dadurch gebogen wird. Infolgedessen gibt die Siegelfolie die Öffnung der Kammer frei und die Versiegelung der Kammer wird gebrochen.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann das erste Ende der Bimetall-Helix spitz ausgebildet sein, sodass das Ende im ausgedehnten Zustand die Siegelfolie einreist oder durchsticht/durchstößt. Infolgedessen wird ein Durchgang zu der Öffnung der Kammer gebildet und die Versiegelung der Kammer wird gebrochen.
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Das Bimetall besteht aus zwei Metallen und/oder Legierungen, die auf unterschiedliche Weise miteinander verbunden sein können. Die zwei Metalle/Legierungen können stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Dies wird beispielsweise beim Verpressen oder Walzen mit hohem Druck erreicht. Alternativ können die zwei Metalle/Legierungen über ein Verbindungselement, wie z. B. eine Niete, miteinander verbunden sein. Alternativ können die zwei Metalle/Legierungen ein Komposit, also einen Verbund, bilden, wobei die Verbindung stoffschlüssig, beispielsweise durch Anschmelzen, oder formschlüssig sein kann.
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Die Bimetalle sind vorzugsweise aus chemisch inerten Materialien wie z. B. Zink und Stahl oder Messing und Stahl hergestellt, sodass diese nicht mit den verwendeten Reagenzien oder den ablaufenden Reaktionen interagieren.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kit zur Herstellung einer Versiegelung für ein vorstehend beschriebenes Kompartiment. Das Kit weist eine Siegelfolie und eine dazu passend ausgebildete Bimetall-Helix auf. Die Siegelfolie ist auf die Art des Kompartiments angepasst und die Bimetall-Helix ist auf die Siegelfolie und die Art des Kompartiments angepasst, insbesondere hinsichtlich der Länge und der Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Versiegelung für ein Kompartiment als Kammer. Zuerst wird die Kammer bereitgestellt, die eine Öffnung aufweist, die zunächst nicht verschlossen ist. In die Kammer wird eine Bimetall-Helix eingebracht und darin befestigt, vorzugsweise an einer der Seitenwände. Dann wird das Reagenz eingebracht. Grundsätzlich kann das Reagenz auch vor der Bimetall-Helix eingebracht werden, wenn dafür Sorge getragen wird, dass das Reagenz nicht beeinträchtigt oder verunreinigt wird. Schließlich wird eine Siegelfolie auf die Öffnung aufgebracht und somit die Kammer mit der Siegelfolie abgeschlossen.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Versiegelung für ein Kompartiment als durch die Siegelfolie umschlossener Bereich. Zuerst werden ein Reagenz und eine Bimetall-Helix bereitgestellt. Eine Siegelfolie wird um das Reagenz und die Bimetall-Helix gelegt und somit das Reagenz und die Bimetall-Helix mit der Siegelfolie umschlossen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1a und 1b zeigen eine schematische Schnittansicht von der Seite auf eine mikrofluidischen Kammer mit der erfindungsgemäßen Versiegelung gemäß einer Ausführungsform.
- 2a und 2b zeigen eine schematische Schnittansicht von der Seite auf eine mikrofluidischen Kammer mit der erfindungsgemäßen Versiegelung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
- 3a und 3b zeigen Seitenansichten auf das Bimetall für verschiedene Weisen der Verbindung der Metalle/Legierungen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Gleiche Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet und diese werden im Folgenden nur einmal näher beschrieben.
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In den 1a und 1b ist jeweils eine mikrofluidische Kammer 1 dargestellt, die durch Seitenwände 2 umschlossen ist und nach oben hin eine Öffnung 3 aufweist. Über die Öffnung 3 ist die Kammer 1 mit einem nicht dargestellten mikrofluidischen System verbunden. Im Inneren der Kammer 1 ist ein Reagenz 4 vorgehalten, welches gezielt freigesetzt werden soll, um beispielsweise bei einer Analyse zum Einsatz zu kommen. Eine Siegelfolie 5 ist über der Öffnung 3 angeordnet und schließt diese ab, sodass die Kammer 1 versiegelt wird. Zudem sind Bimetall-Helices 6 in der Kammer angeordnet, von denen hier beispielhaft zwei dargestellt sind. Die Längsachse der Bimetall-Helices 6 verläuft von der Öffnung 3 zur gegenüberliegenden Kammerwand 2. Bei Wärmezufuhr dehnen sich die Bimetall-Helices 6 entlang dieser Längsachse aus. In 1a ist der Grundzustand gezeigt, in dem der Versiegelung keine zusätzliche Wärme zugeführt wird. Im nicht-ausgedehnten Grundzustand ist ein erstes Ende 7 an der Oberseite der Bimetall-Helix 6 von der Siegelfolie 5 beabstandet und berührt diese nicht. Ein zweites Ende 8, welches dem ersten Ende 7 gegenüberliegt, ist in einer Vertiefung 9 der unteren Kammerwand 2 ausgebildet und wird von dieser in ihrer Position fixiert. Wird, wie in 1b gezeigt, der Versiegelung durch eine Wärmequelle 10 Wärme zugeführt, so biegt sich das Bimetall in der Bimetall-Helix 6 aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf und die Bimetall-Helix 6 wird entlang ihrer Längsachse länger. Dadurch berührt das erste Ende 7 die Siegelfolie 5 und bewirkt Druck auf diese. Das erste Ende 7 ist flächig ausgebildet, so dass sich die Kraft auf einen Bereich der Siegelfolie 5 aufteilt. Die Siegelfolie 5 wird von der Bimetall-Helix 6 aufgedrückt und löst sich von der Öffnung 3 der Kammer, sodass diese frei gegeben wird. Nun kann eine Transportflüssigkeit 11 in die Kammer 1 eindringen und das Reagenz 4 aus der Kammer 1 hinaus in das mikrofluidische System führen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das erste Ende 7 spitz ausgebildet sein. Drückt das spitze erste Ende 7 gegen die Siegelfolie 5 wird diese durchstochen und reist ein, sodass ein Durchgang zu der Öffnung 3 der Kammer 1 gebildet wird, durch den die Transportflüssigkeit 11 in die Kammer 1 eindringen und das Reagenz 4 aus der Kammer 1 hinaus in das mikrofluidische System führen kann.
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In den 2a und 2b ist ebenfalls jeweils eine mikrofluidische Kammer 1 dargestellt, die durch Seitenwände 2 umschlossen ist und nach oben hin eine Öffnung 3 aufweist. Über die Öffnung 3 ist die Kammer 1 mit einem nicht dargestellten mikrofluidischen System verbunden. Die Öffnung 3 ist in dieser Ausführungsform nicht verschlossen. Im Inneren der Kammer 1 ist ein Reagenz 4 vorgehalten, welches gezielt freigesetzt werden soll, um beispielsweise bei einer Analyse zum Einsatz zu kommen. Die Siegelfolie 5 umschließt einen Bereich 12, in dem das Reagenz 4 angeordnet ist und bildet somit eine Hülle, mit der das Reagenz 4 versiegelt wird. Zudem kann die Kammer 1 mit einer Lösung 13 gefüllt sein, die beispielsweise als Reaktionsansatz dient. Die Siegelfolie 5 trennt das Reagenz 4 von der umgebenden Lösung 13. Zudem ist eine Bimetall-Helix 6 innerhalb des von der Siegelfolie 5 umschlossenen Bereichs 12 angeordnet und sie ist nicht fixiert. In 2a ist der Grundzustand gezeigt, in dem der Bimetall-Helix 6 keine zusätzliche Wärme zugeführt wird. Im nicht-ausgedehnten Grundzustand sind die beiden Enden 7 und 8 der Bimetall-Helix 6 von der Siegelfolie 6 beabstandet und berühren diese nicht. Wird, wie in 2b gezeigt, der Bimetall-Helix 6 durch eine Wärmequelle 10 Wärme zugeführt, so biegt sich das Bimetall aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf und die Bimetall-Helix 6 wird entlang ihrer Längsachse länger. Infolgedessen berühren das erste Ende 7 und/oder das zweite Ende 8 die Siegelfolie 5 und üben Druck auf diese aus. Zumindest eines der beiden Enden 7, 8, in diesem Ausführungsbeispiel beispielhaft das erste Ende 8, ist spitz ausgebildet. Drückt das spitze erste Ende 7 gegen die Siegelfolie 5 wird diese durchstochen und reist auf, sodass die Hülle durchbrochen wird. Das Reagenz 4 tritt aus der Hülle aus und kommt mit der umgebenden Lösung 13 in Kontakt, was durch die Pfeile 14 verdeutlicht wird. Optional kann die Lösung 13 in die Hülle eindringen und sich dort mit dem Reagenz mischen oder dieses lösen.
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In den 3a und 3b sind unterschiedliche Arten dargestellt, zwei Metalle/Legierungen 15 und 16, welche unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, zu einem Bimetall zu verbinden. Die Metalle bzw. Legierungen 15 und 16 sind z. B. Zink und Stahl oder Messing und Stahl. In 3a sind die beiden Metalle/Legierungen 15 und 16 übereinander angeordnet und beispielsweise durch Pressen oder Walzen mit hohem Druck stoffschlüssig verbunden. In 3b ist eine Niete 17 vorgesehen, welche die übereinander liegenden Metalle/Legierungen 15 und 16 verbindet. In diesen beiden Fällen wird das/die Metall/Legierung 15, welche(s) einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, auf der Seite angeordnet, in die sich das Bimetall biegen soll. In einer weiteren Ausführungsform bilden die beiden Metalle/Legierungen 11 und 12 ein Komposit, also einen Verbund. Die Verbindung kann sowohl stoffschlüssig als auch formschlüssig erfolgen.
