DE102022211171A1

DE102022211171A1 - Versiegelung für eine mikrofluidische Kammer

Info

Publication number: DE102022211171A1
Application number: DE102022211171.0A
Authority: DE
Inventors: Janik Kaercher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-10-21
Filing date: 2022-10-21
Publication date: 2024-05-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Versiegelung für eine mikrofluidische Kammer (1), die eine Siegelfolie (5), welche die Kammer (1) abschließt, und ein Bimetall (8, 9), welches an und/oder in der Siegelfolie (5) angeordnet ist und mit dieser fest verbunden ist, aufweist. Das Bimetall ist in Form von Drähten (8), Streifen (9) und/oder Bändern ausgebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Mikrofluidik und kann beispielsweise bei Lab-on-Chips eingesetzt werden. Die Erfindung betrifft eine Versiegelung für eine mikrofluidische Kammer.
Stand der Technik
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.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Versiegelung für eine mikrofluidische Kammer. Diese weist eine Siegelfolie auf, welche eine Öffnung der Kammer abschließt. 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. Das Bimetall ist an und/oder in der Siegelfolie angeordnet und mit dieser fest verbunden. Später werden bevorzugte Anordnungen und Verbindungen des Bimetalls mit der Siegelfolie beschrieben. Wenn sich das Bimetall unter Wärmeeinfluss biegt, so wird die Siegelfolie aufgrund der festen Verbindung mitgebogen. Dadurch gibt die Siegelfolie die Öffnung der Kammer frei und die Versiegelung der Kammer wird gebrochen. Das in der Kammer vorgehaltene Reagenz wird freigesetzt und kann in das mikrofluidische System eingeleitet werden. Somit wird ein durch Wärme gesteuerter Transfer von Reagenzien ermöglicht.
Das Bimetall ist hier speziell in Form von Drähten, Streifen und/oder Bändern ausgebildet. Das heißt, das Bimetall liegt hier nicht vollflächig an der Siegelfolie an, sondern ist in einer speziellen Form, bei der das Bimetall in einer Dimension länglich ausgebildet und erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Siegelfolie, wohingegen es in den anderen Dimensionen eine geringe Stärke aufweist. Dadurch wird weniger Material verwendet und eine höhere Flexibilität der Siegelfolie erreicht. Zudem sind nachfolgend genannte Anordnungen nur mit solchen Formen der Bimetalle möglich.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Bimetall-Drähte, -Streifen und/oder -Bänder in die Siegelfolie eingearbeitet. Sie befinden sich also innerhalb der Siegelfolie, sodass sie optimal mit der Siegelfolie verbunden sind und die Kraft, die durch ihre Biegung entsteht, optimal übertragen können. Hier ist eine Ausbildung in Form von Drähten, Streifen und/oder Bändern besonders vorteilhaft, da in die längere Dimension eine starke Biegung stattfinden kann und in den anderen Dimensionen ein große Stabilität der Siegelfolie selbst gegeben ist. Vorzugsweise sind die Bimetall-Drähte, -Streifen und/oder -Bänder zwischen zwei Schichten der Siegelfolie eingeschlossen. In den genannten anderen Dimensionen können die Schichten der Siegelfolie miteinander verbunden bleiben, um die Stabilität der Siegelfolie sicherzustellen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Bimetall-Drähte, -Streifen und/oder -Bänder auf der Oberfläche der Siegelfolie aufgebracht. Dabei können die Bimetall-Drähte, -Streifen und/oder -Bänder sowohl auf der nach innen, in Richtung der Kammer zeigenden Oberfläche als auch auf der nach außen zeigenden Oberfläche oder auf beiden Oberflächen angeordnet sein. Das Aufbringen des Bimetalls auf die Oberfläche stellt sich als einfacher Prozess dar. Die Bimetall-Drähte, -Streifen und/oder -Bänder können beispielsweise mittels eines Klebers auf der Siegelfolie aufgeklebt sein. Vorzugsweise wird hierbei ein chemisch inerter Kleber verwendet, um eine Verunreinigung des Reagenz und/oder des mikrofluidischen Systems zu verhindern.
In einer Ausgestaltung kann das Bimetall eine Vertiefung vorzugsweise an zumindest einem Ende aufweisen. Die Siegelfolie wird in die Vertiefung eingehängt. Somit wird eine Verbindung zwischen der Siegelfolie und dem Bimetall hergestellt und die Siegelfolie wird bei der Biegung des Bimetalls über die Einhängung mitgezogen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das Bimetall auf der Oberseite der Siegelfolie angeordnet ist, in die die Biegung bei Wärmeeinfluss stattfindet.
Generell können die Bimetall-Drähte, -Streifen und/oder -Bänder in beliebiger Anordnung an und/oder in der Siegelfolie angeordnet sein. Nachfolgend sind bevorzugte Anordnungen beschrieben.
In einer bevorzugten Anordnung sind die Bimetall-Drähte, -Streifen und/oder -Bänder gitterförmig an und/oder in der Siegelfolie angeordnet. Dabei können die Bimetall-Drähte, -Streifen und/oder -Bänder jede Form eines Gitters bilden, beispielsweise ein Gitter mit rechteckigen (insbesondere quadratischen) Maschen oder mit anderen vieleckigen Maschen. Dadurch können das Bimetall und somit auch die Siegelfolie in mehreren Dimensionen gebogen werden, sodass sich ein größerer Zugang in die Kammer bildet.
In einer weiteren bevorzugten Anordnung sind die die Bimetall-Drähte, -Streifen und/oder -Bänder spiralförmig an und/oder in der Siegelfolie angeordnet. Dadurch wird eine Erhöhung der Ausdehnung erreicht.
Optional können die Bimetall-Drähte, -Streifen und/oder -Bänder gewunden und/oder in Zackenform ausgebildet sein. Auch hierdurch wird eine Erhöhung der Ausdehnung erreicht.
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.
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.
Optional kann die Siegelfolie ferromagnetische Stoffe aufweisen, die von einem Magneten angezogen werden können. Somit kann die Siegelfolie nach dem Ablösen durch den Magneten von der Öffnung der Kammer entfernt gehalten werden. Dadurch wird verhindert, dass die abgelöste Siegelfolie die Öffnung verstopft oder in die Kammer gerät. Es können hierfür Magneten verwendet werden, die bereits in Lab-on-Chips vorgesehen sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1a, 1b zeigen jeweils eine schematische Schnittansicht von der Seite auf eine mikrofluidischen Kammer mit der erfindungsgemäßen Versiegelung in zwei unterschiedlichen Zuständen.
2 zeigt die schematische Schnittansicht der Kammer aus den 1a, 1b in einem dritten Zustand.
3a zeigt eine Draufsicht auf eine Siegelfolie mit Bimetall-Drähten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3b zeigt eine Draufsicht auf eine Siegelfolie mit Bimetall-Drähten gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt eine Draufsicht auf eine Siegelfolie mit Bimetall-Streifen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
5 zeigt eine Draufsicht auf eine Siegelfolie mit Bimetall-Drähten gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt eine Draufsicht auf eine Siegelfolie mit Bimetall-Drähten gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
7 zeigt eine schematische Schnittansicht der Kammer aus den 1a, 1b mit einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Versiegelung. Ein Ende der Versiegelung ist vergrößert dargestellt.
8a und 8b zeigen Seitenansichten auf das Bimetall für verschiedene Weisen der Verbindung der Metalle/Legierungen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
Gleiche Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet und diese werden im Folgenden nur einmal näher beschrieben.
In den 1a, 1b und 2 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. Die Kammer 1 ist mit der erfindungsgemäßen Versiegelung versiegelt. Eine Siegelfolie 5 ist über der Öffnung 3 angeordnet. An und/oder in der Siegelfolie 5 ist ein Bimetall angeordnet und fest mit dieser verbunden. Dies wird nachfolgend in Zusammenhang mit den 3 bis 7 im Detail beschrieben. In 1a ist der Grundzustand gezeigt, in dem der Versiegelung keine zusätzliche Wärme zugeführt wird. Die Siegelfolie 5 ist nicht gebogen und schließt die Öffnung 3 nach oben hin ab, sodass die Kammer 1 versiegelt ist und das Reagenz 4 nicht austreten kann. Wird, wie in 1b gezeigt, der Versiegelung durch eine Wärmequelle 6 Wärme zugeführt, so biegt sich das Bimetall aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. In diesem Beispiel erfolgt die Biegung nach oben. In anderen Beispielen kann die Biegung auch in das Innere der Kammer 1 oder zur Seite erfolgen. Da die Siegelfolie 5 fest mit dem Bimetall verbunden ist, wird diese ebenfalls nach oben gebogen und gibt die Öffnung 3 frei. Nun kann eine Transportflüssigkeit 7 in die Kammer 1 eindringen und das Reagenz 4 aus der Kammer 1 hinaus in das mikrofluidische System führen.
2 zeigt zusätzlich einen Magneten 14, der über der Öffnung 3 der Kammer 1 angeordnet ist. Alternativ ist der Magnet 14 seitlich der Kammer 1 angeordnet. Nach dem Ablösen der Siegelfolie 5, wie vorstehend beschrieben, kann der Magnet 14 die Siegelfolie 5 anheben und somit von der Öffnung 5 entfernt halten. Die Siegelfolie 5 weist ferromagnetische Stoffe auf, die der Magnet 14 anziehen kann.
Die 3 bis 7 zeigen verschiedene Ausgestaltungen und Anordnungen des Bimetalls in der Siegenfolie 5. Die Form der Siegelfolie 5 ist an die Öffnung 3 der Kammer 1 angepasst. 3a zeigt eine runde Siegelfolie und 3b zeigt eine quadratische Siegelfolie 5. Die weiteren Ausgestaltungen und Anordnungen der Bimetalle in den nachfolgenden Figuren können ohne Weiteres auf die runde Siegelfolie oder auf die quadratische Siegelfolie 5 übertragen werden. In den 3a und 3b sind Bimetall-Drähte 8 vorgesehen, die in Form eines Gitters mit im Wesentlichen quadratischen Maschen in der Siegelfolie 5 angeordnet sind. Die Bimetall-Drähte 8 verlaufen im Gitter senkrecht zueinander. Hierbei sind die Bimetall-Drähte 8 zwischen zwei Schichten der Siegelfolie 5 ausgebildet. In weiteren Ausführungsbeispielen können die Bimetall-Drähte 8 auf die Oberfläche der Siegelfolie 5 aufgeklebt sein.
4 zeigt Bimetall-Streifen 9, die ebenfalls in Form eines Gitters mit quadratischen Maschen auf der Siegelfolie 5 angeordnet sind. Die Bimetall-Streifen 9 verlaufen im Gitter senkrecht zueinander. Die Bimetall-Streifen 9 weisen in der Ebene der Siegelfolie 5 eine höhere Breite als die Bimetall-Drähte 8 auf. Die Bimetall-Streifen 9 können auch Bimetall-Bänder sein. Hierbei sind die Bimetall-Streifen 9 auf der Oberfläche der Siegelfolie 5 aufgeklebt. In weiteren Ausführungsbeispielen können die Bimetall-Drähte 9 in der Siegelfolie 5, insbesondere zwischen zwei Schichten der Siegelfolie, ausgebildet sein. Durch die Anordnung in Gitterform, wie in den 3 und 4 gezeigt, kann die Siegelfolie 5 auf mehreren Seiten gebogen werden.
Die 5 und 6 zeigen jeweils wiederum Bimetall-Drähte 8, die innerhalb der Siegelfolie 5 ausgebildet sind, in anderen Ausführungsbeispielen aber auch auf der Oberfläche aufgeklebt sein können. In 5 sind die Bimetall-Drähte 8 in der Ebene der Siegelfolie 5 in einem Zackenmuster angeordnet. In 6 ist ein Bimetall-Draht 8 vorgesehen, der in Form einer ebenen Spirale angeordnet ist.
Durch die Anordnungen wie in den 5 und 6 gezeigt, werden größere Ausdehnungen der Bimetalle erreicht und somit größere Öffnungswinkel für die Siegelfolie 5 realisiert.
In 7 ist, ähnlich wie 1b, auf deren Beschreibung verwiesen wird, die Siegelfolie 5 im durch die Wärmezufuhr der Wärmequelle 6 bewirkten gebogenen Zustand über der Öffnung 3 der Kammer 1 angeordnet. In dieser Ausführungsform ist ein Bimetall-Streifen 9 oder ein Bimetall-Band auf der äußeren Oberfläche der Siegenfolie 5 angeordnet. Der Bimetall-Streifen 9 weist an seinem Ende, das in 7 nochmal vergrößert dargestellt ist, eine Vertiefung 10 in Form einer Kerbe auf. Das Ende der Siegelfolie 5 wird in diese Kerbe 10 eingehängt. Wenn nun Wärme von der Wärmequelle 6 zugeführt wird, biegt sich der Bimetall-Streifen 9 und zieht die eingehängte Siegelfolie 10 mit sich. Die Siegelfolie 5 biegt sich somit auf und gibt die Öffnung 3 der Kammer 1 frei. Nun kann eine Transportflüssigkeit 7 in die Kammer 1 eindringen und das Reagenz 4 aus der Kammer 1 hinaus in das mikrofluidische System führen.
In den 8a und 8b sind unterschiedliche Arten dargestellt, zwei Metalle/Legierungen 11 und 12, welche unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, zu einem Bimetall zu verbinden. Die Metalle bzw. Legierungen 11 und 12 sind z. B. Zink und Stahl oder Messing und Stahl. In 8a sind die beiden Metalle/Legierungen 11 und 12 übereinander angeordnet und beispielsweise durch Pressen oder Walzen mit hohem Druck stoffschlüssig verbunden. In 8b ist eine Niete 13 vorgesehen, welche die übereinander liegenden Metalle/Legierungen 11 und 12 verbindet. In diesen beiden Fällen wird das/die Metall/Legierung 11, welche(s) einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, auf der Seite angeordnet, in die sich das Bimetall biegen soll. In Übereinstimmung mit 1 ist hier das/die Metall/die Legierung 11 mit kleinerem Wärmeausdehnungskoeffizient oberhalb des/der anderen Metalls/Legierung 12 angeordnet. 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.

Claims

Versiegelung für eine mikrofluidische Kammer (1), aufweisend eine Siegelfolie (5), welche ausgebildet ist, die Kammer (1) abzuschließen, und ein Bimetall (8, 9), welches an und/oder in der Siegelfolie (5) angeordnet und mit dieser fest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bimetall (8, 9) in Form von Bimetall-Drähten (8) und/oder Bimetall-Streifen (9) und/oder Bimetall-Bändern ausgebildet ist.
Versiegelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bimetall (8, 9) ausgebildet ist, unter Wärmeeinfluss zu biegen, um die Siegelfolie (5) aufgrund der festen Verbindung mitzubiegen und die Versiegelung der Kammer (5) zu brechen.
Versiegelung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bimetall-Drähte (8) und/oder Bimetall-Streifen (9) und/oder Bimetall-Bänder in die Siegelfolie (5) eingearbeitet sind.
Versiegelung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bimetall-Drähte (8) und/oder Bimetall-Streifen (9) und/oder Bimetall-Bänder zwischen zwei Schichten der Siegelfolie (5) eingeschlossen sind.
Versiegelung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bimetall-Drähte (8) und/oder Bimetall-Streifen (9) und/oder -Bänder auf der Oberfläche der Siegelfolie (5) aufgebracht sind und mit dieser fest verbunden sind.
Versiegelung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bimetall (8, 9) eine Vertiefung (10) aufweist, in die die Siegelfolie (5) einhängbar ist.
Versiegelung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bimetall-Drähte (8) und/oder Bimetall-Streifen (9) und/oder Bimetall-Bänder gitterförmig an und/oder in der Siegelfolie (5) angeordnet sind.
Versiegelung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bimetall-Drähte (8) und/oder Bimetall-Streifen (9) und/oder Bimetall-Bänder spiralförmig an und/oder in der Siegelfolie (5) angeordnet sind.
Versiegelung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bimetall (8, 9) aus zwei Metallen und/oder Legierungen (11, 12) besteht, die stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Versiegelung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bimetall (8, 9) aus zwei Metallen und/oder Legierungen (11, 12) besteht, die über ein Verbindungselement (13) formschlüssig miteinander verbunden sind.
Versiegelung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bimetall (8, 9) aus zwei Metallen und/oder Legierungen (11, 12) besteht, die ein Komposit bilden.
Versiegelung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Siegelfolie (5) einen ferromagnetischen Stoff aufweist.
Kammer (1) mit einer Versiegelung nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Kammer (1) nach Anspruch 13, in deren Inneres ein Reagenz (4) vorgehalten ist.
Verfahren zur Herstellung einer Versiegelung für eine Kammer (1) gemäß einem er Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch folgende Schritte: - Bereitstellen einer Kammer (1); - Einbringen eines Reagenzes (4) in die Kammer (1); - Abschließen der Kammer (1) mit einer Siegelfolie (5).