DE10227593B4

DE10227593B4 - Strömungsschaltungs-Mikrobauelemente

Info

Publication number: DE10227593B4
Application number: DE2002127593
Authority: DE
Inventors: Kevin Palo Alto Killeen; Hongfeng San Jose Yin
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2001-07-17
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2022-06-21
Also published as: US20040164265A1; US6845968B2; US6702256B2; DE10227593A1; US20030015682A1

Abstract

Mikrobauelement (50) zum Steuern einer Fluidströmung, das ein Substrat (52) und eine Abdeckplatte (70) aufweist, die jeweils eine im Wesentlichen planare Kontaktoberfläche aufweisen, wobei jeder Kontaktoberfläche ein Fluidtransportmerkmal zugeordnet ist, wobei die Substratkontaktoberfläche (54) in einem schiebbaren und fluiddichten Kontakt mit der Abdeckplattenkontaktoberfläche (72) positioniert ist, derart, daß sich die Fluidtransportmerkmale ausrichten, um eine Fluidtransportleitung (76) zu bilden, die eine steuerbare Querschnittsfläche von nicht mehr als ca. 1 mm² aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fluidströmungssteuerung bei Mikrobauelementen. Im einzelnen bezieht sich die Erfindung auf Mikrobauelemente, die eine hochdruckfähige Ventilstruktur verwenden, wobei die Ventilstruktur optional eine Strömungswegschaltung durch eine Dreh- oder eine lineare Bewegung erreicht.
Mikrofluidbauelemente (Mikrobauelemente) stellen für viele Anwendungen, insbesondere Anwendungen, die seltene oder teuere Fluide verwenden, eine große Hoffnung in Aussicht. Proteomik und Genomik sind zwei wichtige Bereiche, in denen Mikrofluidbauelemente eingesetzt werden können. Beispielsweise sind viele der sich am besten verkaufenden Medikamente heutzutage entweder Proteine oder wirken, indem sie auf Proteine abzielen. Überdies sind viele molekulare Krankheitsmerkmale, die Basis der Diagnostik, peptidische oder nukleotidische Sequenzen. Somit konzentrieren sich Entwicklungsbemühungen, die Diagnostik- oder pharmazeutischen Technologien voranzutreiben, bisher auf die Entdeckung medizinisch wichtiger Proteine und der Gene, von denen sie stammen. Somit ist die biomolekulare Identifizierung ein besonders wichtiger Aspekt der Proteomik und Genomik.
Eine biomolekulare Identifizierung beinhaltet oft Tren nungsprozesse, wie beispielsweise Chromatographie und Massenspektrometrie. Das U.S.-Patent Nr. 5 705 813 A von Apffel u. a. betrifft ein integriertes planares Flüssigkeitshandhabungssystem für matrixunterstützte Laserdesorptionsionisierung-Flugzeit-Massenspektrometrie (MALDI-TOF-Massenspektrometrie). Das Patent offenbart, daß ein Reservoir zum Empfangen von Fluidsubstanzen durch einen Mikrokanal mit einer MALDI-Ionisierungsoberfläche verbunden sein kann, wobei der Mi krokanal eine Trennungsregion aufweist, die für Trennungen vom Chromatographietyp verwendet werden kann.
Dieser Ansatz stellt ein Beispiel des jüngsten Fortschritts bei Mikrobauelementen dar, die beispielsweise als chemische Analysewerkzeuge oder klinische Diagnostikwerkzeuge verwendet werden können. Die geringe Größe von Mikrobauelementen ermöglicht die Analyse winziger Probenmengen, was ein wichtiger Vorteil ist, wenn die Probe teuer ist oder schwierig zu bekommen ist. Siehe z. B. U.S.-Patente Nr. 5 500 071 A von Kaltenbach u. a., 5 571 410 A von Swedberg u. a. und 5 645 702 A von Witt u. a.. Es wurde vorgeschlagen, daß an diesen Bauelementen Probenherstellungs-, -trennungs- und -erfassungskammern integriert sein sollen. Da mikrofabrizierte Bauelemente einen relativ einfachen Aufbau aufweisen, sind sie theoretisch kostengünstig herzustellen. Dennoch stellt die Herstellung solcher Bauelemente diverse Herausforderungen dar. Beispielsweise können sich die Strömungscharakteristika von Fluiden in den kleinen Strömungskanälen eines mikrofabrizierten Bauelements von den Strömungscharakteristika von Fluiden in größeren Bauelementen unterscheiden, da Oberflächeneffekte allmählich überwiegen und Regionen einer Massenströmung im Verhältnis kleiner werden. Somit müssen eventuell Einrichtungen zum Erzeugen einer Antriebskraft, die Analyten und Fluide bewegt, in solche mikroanalytischen Bauelemente integriert werden. Dies kann ein Bilden von Antriebskrafteinrichtungen wie beispielsweise Elektroden beinhalten, was die Kosten des Mikrobauelements erhöhen kann.
Somit ist die Strömungssteuerung ein wichtiger Aspekt der Mikrobauelementetechnologie. Da es hinreichend bekannt ist, daß sich die Strömungscharakteristika von Fluiden in den kleinen Strömungskanälen eines Mikrobauelements stark von Strömungscharakteristika von Massenfluiden unterscheiden, legt der gesunde Menschenverstand nahe, daß Ventilstrukturen, die eine Strömung von Massenfluiden steuern, nicht ohne weiteres zur Verwendung bei Mikrofluidbauelementen aus gelegt werden können. Dementsprechend offenbaren eine Reihe von Patenten diverse Ventiltechnologien, die bei Mikrobauelementen zum Einsatz kommen. Beispielsweise offenbart das U.S.-Patent Nr. 4 869 282 A von Sittler u. a. ein mikrobearbeitetes Ventil, das eine Steuerkraft verwendet, um eine Polyimidfilmmembran abzulenken. Desgleichen beschreiben U.S.-Patente Nr. 5 771 902 A und 5 819 794 A von Lee u.a. bzw. von Anderson ein Mikroventil, das einen steuerbaren Ausleger verwendet, um die Blutströmung zu lenken. Das U.S.-Patent Nr. 5 417 235 A von Wise u. a. beschreibt eine integrierte Mikroventilstruktur mit einer monolithischen Mikroströmungssteuerung, die eine Betätigung elektrostatisch steuert, und das U.S.-Patent Nr. 5 368 704 A von Madou u. a. beschreibt ein mikrobearbeitetes Ventil, das elektrochemisch geöffnet und geschlossen werden kann. Andere Aspekte eines Ventilbetriebs und einer Ventilsteuerung sind in den U.S.-Patenten Nr. 5 333 831 A , 5 417 235 A , 5 725 017 A , 5 964 239 A , 5 927 325 A und 6 102 068 A beschrieben. Viele dieser Ventile sind vom Aufbau her komplex und sind aufgrund eines Überschusses an „Totraum", d. h. an ungenutztem und unnötigem Raum in dem Mikrobauelement zu den schnellen Reaktionszeiten, die bei bestimmten Biomolekülanalyseanwendungen erforderlich sind, nicht fähig.
Somit besteht ein Bedarf an einer verbesserten und vereinfachten Ventilstruktur zum Steuern einer Fluidströmung in Mikrobauelementen, ohne einen übermäßigen Totraum in dieselben einzubringen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mikrobauelemente zu schaffen, die eine solche verbesserte und vereinfachte Ventilstruktur aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch Mikrobauelemente gemäß den Ansprüchen 1, 26, 30 oder 31 gelöst.
Dementsprechend besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, die oben erwähnten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, indem sie Mikrobauelemente schafft, die eine verbesserte Fluidströmungssteuerung ermöglichen.
Weitere Ziele, Vorteile und neuartige Merkmale der Erfindung werden teilweise in der folgenden Beschreibung dargelegt und werden für Fachleute bei Betrachtung des Folgenden offensichtlich oder können durch ein routinemäßiges Experimentieren bei einer Praxis der Erfindung erfahren werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Mikrobauelement, das ein Substrat und eine Abdeckplatte aufweist, die jeweils eine im Wesentlichen planare Kontaktoberfläche und ein derselben zugeordnetes Fluidtransportmerkmal aufweisen. Die Substratkontaktoberfläche ist in schiebbarem und fluiddichtem Kontakt mit der Abdeckplattenkontaktoberfläche positioniert, um eine steuerbare Ausrichtung zwischen den Fluidtransportmerkmalen zu ermöglichen. Folglich wird zwischen den Fluidtransportmerkmalen durch einen kleinen Bereich eine Fluidkommunikation bereitgestellt. Wenn das Fluidtransportmerkmal der Abdeckplatte eine Leitung bzw. Rohrleitung aufweist, kann die Rohrleitung eine im Wesentlichen konstante Querschnittsfläche aufweisen. In der Regel richten sich die Fluidtransportmerkmale aus, um eine Fluidtransportrohrleitung zu bilden, die eine steuerbare Querschnittsfläche von nicht mehr als ca. 1 mm² aufweist. Solch eine bisher unbekannte kleine Querschnittsfläche ermöglicht eine Verringerung von Totraum bei Mikrobauelementen, während sie eine verbesserte Fluidströmungssteuerung durch eine mechanische Betätigung, in der Regel durch eine Schiebe- und/oder Drehbewegung, vorsieht.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel bezieht sich die Erfindung auf ein Mikrobauelement, das ein Substrat aufweist, das mindestens zwei im Wesentlichen planare Kontaktoberflächen und eine Rohrleitung, welche sich durch dieselben erstreckt, um eine Fluidkommunikation zwischen den Kontaktoberflächen bereitzustellen, aufweist. Zwei Abdeckplatten, die jeweils eine im Wesentlichen planare Kontaktoberfläche aufweisen, sind in im Wesentlichen fluiddichtem Kontakt mit dem Substrat positioniert. Der ersten Kontaktoberfläche ist ein Fluidtransportmerkmal zugeordnet. Mindestens eine der ersten und der zweiten Abdeckplattenkontaktoberflächen ist in schiebbarem Kontakt mit einer Substratkontaktoberfläche positioniert, um eine Bildung eines steuerbaren Strömungswegs zu ermöglichen.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel bezieht sich die Erfindung auf ein Mikrobauelement zum Steuern einer Fluidströmung, das ein Substrat und eine Abdeckplatte aufweist, die jeweils eine im Wesentlichen planare Kontaktoberfläche aufweisen. Jeder Kontaktoberfläche ist ein Fluidtransportmerkmal zugeordnet. Die Substratkontaktoberfläche ist in schiebbarem und fluiddichtem Kontakt mit der Abdeckplattenkontaktoberfläche positioniert, um eine steuerbare Ausrichtung zwischen den Fluidtransportmerkmalen zu ermöglichen, um einen ausrichtungsabhängigen Strömungsweg von variabler Länge zu bilden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
1A, 1B und 1C, die kollektiv als 1 bezeichnet werden, zeigen schematisch eine Ventilstruktur des Standes der Technik, die eine Drehbewegung verwendet, um eine Fluidkommunikation zwischen zwei Rohrleitungen zu bewerkstelligen. 1A veranschaulicht das Bauelement in auseinandergezogener Ansicht. 1B und 1C veranschaulichen in Querschnittsansicht (entlang einer gestrichelten Linie A der 1A) die Schaltstruktur des Mikrobauelements in einer geschlossenen bzw. einer offenen Konfiguration.
2A, 2B, 2C, 2D und 2E, die kollektiv als 2 bezeichnet werden, veranschaulichen schematisch ein Mikrobauelement mit einer Ventilstruktur der Erfindung, die eine Drehbewegung verwendet, um ein Fluidströmungsschalten zu bewirken. 2A veranschaulicht das Mikrobauelement in auseinandergezogener Ansicht. 2B und 2C veranschaulichen in Draufsicht bzw. in Querschnittsansicht die Schaltstruktur des Mikrobauelements in einer geschlossenen Konfiguration. 2D und 2E veranschaulichen in Draufsicht bzw. in Querschnittansicht die Schaltstruktur des Mikrobauelements in einer offenen Konfiguration.
3A, 3B und 3C, kollektiv als 3 bezeichnet, veranschaulichen schematisch ein Ausführungsbeispiel des Mikrobauelements, das eine lineare Bewegung verwendet, um eine Fluidströmungsschaltung zu bewirken. 3A veranschaulicht das Mikrobauelement in auseinandergezogener Ansicht. 3B veranschaulicht in einer schematischen Querschnittsansicht das Mikrobauelement in einer geschlossenen Konfiguration. 3C veranschaulicht in einer schematischen Querschnittsansicht das Mikrobauelement in einer offenen Konfiguration.
4A, 4B, 4C, 4D und 4E, kollektiv als 4 bezeichnet, veranschaulichen schematisch ein Mikrobauelement mit einer Ventilstruktur, die eine Drehbewegung verwendet, um durch ein Schalten zwischen unterschiedlichen Fluidtransportmerkmalen eine Bildung eines steuerbaren Strömungswegs zu bewirken. 4A veranschaulicht das Mikrobauelement in auseinandergezogener Ansicht. 4B veranschaulicht in einer Draufsicht die Schaltstruktur des Mikrobauelements in einer Konfiguration, die einen ersten Strömungsweg bildet. 4C veranschaulicht in Querschnittsansicht das Mikrobauelement der 4B. 4D veranschaulicht in einer Draufsicht die Schaltstruktur des Mikrobauelements in einer Konfiguration, die einen zweiten Strömungsweg bildet. 4E veranschaulicht in einer Querschnittsansicht das Mikrobauelement der 4D.
5A, 5B und 5C, kollektiv als 5 bezeichnet, veranschaulichen schematisch ein Mikrobauelement mit einer Ventilstruktur, die einen Strömungsweg einer variablen Länge bereitstellt. 5A veranschaulicht das Mikrobauelement in auseinandergezogener Ansicht. 5B und 5C veranschaulichen in einer Querschnittsansicht (entlang einer gestrichelten Linie F) die Ventilstruktur in Konfigurationen, die einen ersten (längeren) bzw. einen zweiten (kürzeren) Strömungsweg aufweisen.
Bevor die Erfindung ausführlich beschrieben wird, muß man verstehen, daß diese Erfindung, wenn nichts anderes angegeben ist, nicht auf bestimmte Materialien, Komponenten oder Herstellungsprozesse beschränkt ist, da diese variieren können. Man muß ferner verstehen, daß die hierin verwendete Terminologie lediglich der Beschreibung bestimmter Ausführungsbeispiele dient und nicht als einschränkend anzusehen ist.
Es ist zu beachten, daß die Singularformen „ein", „eine" und „der", „die", „das", wie sie in der Beschreibung und in den beigefügten Patentansprüchen verwendet werden, Pluralbezüge beinhalten, wenn nicht der Kontext deutlich etwas anderes nahelegt. Somit beinhaltet beispielsweise eine Bezugnahme auf „ein Merkmal" eine Mehrzahl von Merkmalen, eine Bezugnahme auf „Fluid" beinhaltet ein Gemisch von Fluiden, und dergleichen.
Bei dieser Beschreibung und in den folgenden Patentansprüchen wird auf eine Reihe von Begriffen Bezug genommen, die per Definition die folgenden Bedeutungen haben sollen, wenn nicht aus dem Kontext, in dem sie verwendet werden, deutlich etwas anderes hervorgeht:
Der Begriff „steuerbare Ausrichtung", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf die räumliche Beziehung zwischen zwei Komponenten eines Mikrobauelements, z. B. Fluidtransportmerkmale, bei denen die räumliche Beziehung gemäß einer gewünschten Funktion des Mikrobauelements eingestellt sein kann.
Der Begriff „Strömungsweg", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf die Route oder die Bahn, entlang derer ein Fluid wandert oder sich bewegt. Strömungswege werden aus einem oder mehreren Fluidtransportmerkmalen eines Mikrobauelements gebildet.
Der Begriff „Fluidtransportmerkmal", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf eine Anordnung von Festkörpern oder Abschnitten derselben, die eine Fluidströmung lenken. So wie er hierin verwendet wird, umfaßt der Begriff Kammern, Reservoire, Rohrleitungen und Kanäle, ist aber nicht auf dieselben beschränkt. Der Begriff „Rohrleitung", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf eine dreidimensionale Einfassung, die durch eine oder mehrere Wände gebildet ist und eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung aufweist, durch die ein Fluid transportiert werden kann. Der Begriff „Kanal" wird hierin verwendet, um eine offene Rille oder einen Graben in einer Oberfläche zu bezeichnen. Ein Kanal in Kombination mit einem Festkörperstück über dem Kanal bildet eine Rohrleitung.
Der Begriff „fluiddicht" wird hierin verwendet, um die räumliche Beziehung zwischen zwei Festkörperoberflächen zu beschreiben, die sich derart in physischem Kontakt befin den, daß verhindert wird, daß ein Fluid in die Grenzfläche zwischen den Oberflächen strömt.
Der Begriff „Prägen" wird verwendet, um einen Prozeß zum Bilden von Polymer-, Metall- oder Keramikformen zu bezeichnen, indem eine Prägematrize mit einem bereits vorhandenen Rohling eines Polymers, Metalles oder einer Keramik in Kontakt gebracht wird. Eine gesteuerte Kraft wird derart auf die Prägematrize ausgeübt, daß die durch die Prägematrize bestimmte Struktur und Form in den bereits vorhandenen Rohling aus Polymer, Metall oder Keramik gepreßt wird. Der Begriff „Prägen" umfaßt „Heißprägen", das verwendet wird, um einen Prozeß zum Bilden von Polymer-, Metall- oder Keramikformen zu bezeichnen, indem eine Prägematrize mit einem bereits vorhandenen erhitzten Rohling aus Polymer, Metall oder Keramik in Kontakt gebracht wird. Der bereits vorhandene Rohling aus einem Material wird derart erhitzt, daß er sich der Prägematrize fügt, während eine gesteuerte Kraft auf die Prägematrize ausgeübt wird. Die sich ergebende Polymer-, Metall- oder Keramikform wird abgekühlt und daraufhin aus der Prägematrize entfernt.
Der Begriff „Spritzgießen" wird verwendet, um einen Prozeß zum Abformen von Keramikformen aus Kunststoff oder Nichtkunststoff, indem eine gemessene Menge eines geschmolzenen Kunststoff- oder Keramiksubstrats in eine Matrize (oder Form) gespritzt wird, zu bezeichnen. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können miniaturisierte Bauelemente unter Verwendung von Spritzgießen hergestellt werden.
Der Begriff „der Reihe nach" wird hierin verwendet, um eine Abfolge von Ereignissen zu bezeichnen. Wenn ein Fluid „der Reihe nach" durch einen Einlaßport und eine Rohrleitung wandert, wandert das Fluid durch den Einlaßport, bevor es durch die Rohrleitung wandert. „Der Reihe nach" bedeutet nicht unbedingt unmittelbar nacheinander. Beispielsweise ist bei einem Fluid, das der Reihe nach durch einen Einlaß port und einen Auslaßport wandert, nicht ausgeschlossen, daß das Fluid durch eine Rohrleitung wandert, nachdem es durch den Einlaßport wandert und bevor es durch den Auslaßport wandert.
Der Begriff „LIGA-Prozeß" wird verwendet, um einen Prozeß zum Herstellen von Mikrostrukturen, die hohe Seitenverhältnisse und eine erhöhte strukturelle Präzision aufweisen, unter Verwendung einer Synchrotronstrahlungslithographie, unter Verwendung von Galvanoformen und Kunststoffabformen zu bezeichnen. Bei einem LIGA-Prozeß werden strahlungsempfindliche Kunststoffe mit einer Strahlung hoher Energie unter Verwendung einer Synchrotronquelle lithographisch bestrahlt, um gewünschte Mikrostrukturen, (beispielsweise Kanäle, Ports, Aperturen und Mikroausrichtungseinrichtungen) zu erzeugen, wodurch eine Primärschablone gebildet wird.
Der Begriff „Mikroausrichtungseinrichtung" bezieht sich hierin per definitionem auf eine beliebige Einrichtung zum Sicherstellen der präzisen Mikroausrichtung von mikrofabrizierten Merkmalen bei einem Mikrobauelement. Eine Mikroausrichtungseinrichtung kann entweder durch Laserablation oder andere in der Technik hinreichend bekannte Verfahren zum Herstellen geformter Stücke gebildet sein. Repräsentative Mikroausrichtungseinrichtungen, die hierin verwendet werden können, umfassen eine Mehrzahl von auf geeignete Weise angeordneten Vorständen in Komponententeilen, z. B. Vorsprünge, Vertiefungen, Rillen, Stege, Führungen oder dergleichen.
Der Begriff „Mikrobauelement" bezieht sich auf ein Bauelement, das Merkmale mit Abmessungen im Mikrometer- oder Submikrometerbereich aufweist und das in einer beliebigen Anzahl von chemischen Prozessen, die sehr geringe Fluidmengen beinhalten, verwendet werden kann. Solche Prozesse umfassen folgende, sind aber nicht auf dieselben beschränkt: Elektrophorese (z. B. Kapillarelektrophorese oder CE), Chromatographie (z. B. μLC), Trennung und Diagnostik (unter Ver wendung von z. B. Hybridisierung oder eines anderen Bindungsmittels) und chemische und biochemische Synthese (z. B. DNA-Amplifikation, wie sie unter Verwendung der Polymerase-Kettenreaktion oder „PCR" durchgeführt werden kann) und Analyse (z. B. durch peptidische Digestion). Die Merkmale der Mikrobauelemente sind auf die jeweilige Verwendung ausgelegt. Beispielsweise enthalten Mikrobauelemente, die bei Trennungsprozessen, z. B. CE verwendet werden, Mikrokanäle (hierin als „Mikrorohrleitungen" bezeichnet, wenn sie eingefaßt sind, d. h. wenn sich die Abdeckplatte auf der den Mikrokanal enthaltenden Substratoberfläche an Ort und Stelle befindet) in der Größenordnung von 1 μm bis 200 μm Durchmesser, in der Regel 10 μm bis 75 μm Durchmesser und ungefähr 0,1 bis 50 cm Länge. Mikrobauelemente, die bei einer chemischen und biochemischen Synthese, z. B. DNA-Amplifikation, verwendet werden, enthalten allgemein Reaktionszonen (hierin als „Reaktionskammern" bezeichnet, wenn sie eingefaßt sind, d. h. wiederum, wenn sich die Abdeckplatte auf der den Mikrokanal enthaltenden Substratoberfläche an Ort und Stelle befindet) mit einem Volumen von ca. 1 nl bis ca. 100 μl, in der Regel ca. 10 nl bis 20 μl.
Der Begriff „optional", wie er hierin verwendet wird, bedeutet, daß das nachfolgend beschriebene Merkmal bzw. die nachfolgend beschriebene Struktur vorhanden sein kann, aber nicht muß, daß das nachfolgend beschriebene Ereignis bzw. der nachfolgend beschriebene Umstand eintreten kann, aber nicht muß, und daß die Beschreibung Fälle umfaßt, bei denen ein bestimmtes Merkmal oder eine bestimmte Struktur vorhanden ist, und Fälle, bei denen das Merkmal oder die Struktur nicht vorhanden ist, oder Fälle, bei denen das Ereignis bzw. der Umstand eintritt und Fälle, bei denen es bzw. er nicht eintritt.
Der Begriff „schiebbarer Kontakt", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf den Zustand oder den Umstand einer Berührung zwischen zwei Festkörperbauteilen, bei dem die relative Position der Bauteile geändert werden kann, ohne die beiden Bauteile physisch zu trennen.
Somit schafft die Erfindung ein Mikrobauelement zum Steuern einer Fluidströmung. Das Mikrobauelement weist ein Substrat und eine Abdeckplatte auf, die jeweils eine im Wesentlichen planare Kontaktoberfläche aufweisen, und wobei jeder Kontaktoberfläche ein Fluidtransportmerkmal zugeordnet ist. Die Substratkontaktoberfläche ist in einem schiebbaren und fluiddichten Kontakt mit der Abdeckplattenkontaktoberfläche positioniert, um eine steuerbare Ausrichtung zwischen den Fluidtransportmerkmalen zu ermöglichen. Diese Ventilstruktur ermöglicht bisher unbekannte Vorteile bei der Mikrobauelementströmungssteuerung, indem sie das „tote" Probenvolumen reduziert, was ein Vorteil ist, wenn Proben selten, teuer oder schwierig zu bekommen sind.
Um die Vorteile des erfindungsgemäßen Bauelements zu veranschaulichen, wird ein Beispiel eines Bauelements des Standes der Technik gegeben, um die damit zusammenhängenden Nachteile zu veranschaulichen. 1 veranschaulicht schematisch eine bekannte Ventilstruktur zum Steuern einer Massenfluidströmung in Bauelementen, die nicht durch die mit der Mikrofluidik verbundenen Einschränkungen beschränkt sind. Wie bei allen Figuren, auf die hierin Bezug genommen wird und bei denen gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen benannt sind, ist 1 nicht unbedingt maßstabsgetreu, und bestimmte Abmessungen können der Deutlichkeit der Darstellung halber übertrieben sein. Wie in 1 gezeigt ist, ist die Ventilstruktur 10 aus einem zylindrischen Substrat 12 aufgebaut, das einen Kanal 14 in einer im Wesentlichen planaren und kreisförmigen Substratkontaktoberfläche 16 aufweist, wobei der Kanal 14 zwei Anschlüsse aufweist, die bei 18 und 20 angegeben sind. Der Kanal erstreckt sich entlang eines Durchmessers der Substratkontaktoberfläche (bei A angegeben), und der Mittelpunkt des Kanals 14 fällt mit dem Mittelpunkt der Substratkontaktoberfläche zusammen.
Die Ventilstruktur 10 umfaßt ferner eine zylindrische Abdeckplatte 22, die eine im Wesentlichen planare und kreisförmige Kontaktoberfläche 24 und eine parallele, gegenüberliegende Oberfläche 26 aufweist. Wie gezeigt ist, sind die Kontaktoberflächen 16 und 24 kongruent. Zwei zylindrische Rohrleitungen, bei 28 und 30 angegeben, erstrecken sich jeweils in einer Richtung, die orthogonal zu der Abdeckplattenkontaktoberfläche verläuft, durch die Abdeckplatte, um eine Kommunikation zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen bereitzustellen. Die Rohrleitungen liegen entlang eines Durchmessers der kreisförmigen Oberfläche, und der Abstand zwischen den Rohrleitungen ist der Abstand zwischen den Anschlüssen des Kanals auf der Substratkontaktoberfläche. Wie in 1C gezeigt ist, stehen Lippen 32 und 34 zu der Mittelachse von zylindrischen Rohrleitungen 28 bzw. 30 benachbart zu der Kontaktoberfläche vor. Röhren 36 bzw. 38 sind in die Rohrleitungen 28 bzw. 30 eingeführt. Wie gezeigt ist, dienen die Lippen 32 und 34 dazu, zu verhindern, daß sich die Röhren 36 und 38 über die Abdeckplattenkontaktoberfläche 24 hinaus erstrecken.
Im Betrieb ist die Abdeckplattenkontaktoberfläche 24 in einem schiebbaren und fluiddichten Kontakt mit der Substratkontaktoberfläche 16 positioniert. Folglich bildet die Abdeckplattenkontaktoberfläche 24 in Kombination mit dem Kanal 14 in der Substratkontaktoberfläche 16 eine Rohrleitung 40. Wenn die Abdeckplattenrohrleitungen 28 und 30 nicht mit dem Substratkanal ausgerichtet sind, ist die Rohrleitung 40, die aus dem Kanal 14 und der Abdeckplattenkontaktoberfläche 24 gebildet ist, vollständig geschlossen, wie in 1B gezeigt ist. Wenn die Abdeckplatte jedoch bezüglich des Substrats axial gedreht wird, wie in 1C gezeigt ist, sind die Rohrleitungen 28 bzw. 30 mit den Anschlüssen 18 bzw. 20 ausgerichtet. Folglich stellt die Rohrleitung 40 eine Fluidkommunikation zwischen den Abdeckplattenrohrleitungen 28 und 30 bereit. Auch die Röhren 36 und 38 sind mit einer Fluidkommunikation versehen. Mit anderen Worten kann eine Drehbewegung die Ventilstruktur 10 öffnen oder schlie ßen. Wenn erst einmal eine Fluidkommunikation bereitgestellt ist, wird ein Fluidströmungsweg erzeugt, der der Reihe nach durch die Röhre 36, die Abdeckplattenrohrleitung 28, die Substratrohrleitung 40, die Abdeckplattenrohrleitung 30 und die Röhre 38 wandert. Es ist anzumerken, daß, da sich die Röhren 36 und 38 nicht über die Abdeckplattenkontaktoberfläche 24 hinaus erstrecken, die Röhren eine Drehbewegung zwischen der Abdeckplatte und dem Substrat nicht verhindern können und auch nicht die Kontaktoberflächen des Substrats und/oder der Abdeckplatte beschädigen können. Eine Beschädigung der Kontaktoberflächen kann zu einer Beeinträchtigung der Fähigkeit der Kontaktoberflächen führen, einander auf eine schiebbare und/oder fluiddichte Weise zu berühren.
Da die oben beschriebene Struktur üblicherweise verwendet wird, um eine Massenfluidströmung zu steuern, wurde sie bisher nicht zur Verwendung bei Mikrobauelementen ausgelegt. Überdies gibt es eine Reihe von Nachteilen beim Einsatz des oben beschriebenen Ventils zum Steuern einer Fluidströmung bei Mikrobauelementen, wobei der wichtigste Nachteil die Erzeugung von „Totraum" ist. Mit „Totraum" ist ein Volumen in einem Mikrobauelement gemeint, das ohne eine wesentliche Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit des Mikrobauelements eliminiert werden kann. Das heißt, daß ein zusätzliches Fluid benötigt wird, um einen Totraum in einem Mikrobauelement zu kompensieren. Wie in 1C gezeigt ist, wird beispielsweise aufgrund des Vorhandenseins der Lippen 32 bzw. 34 in den Abdeckplattenrohrleitungen 28 bzw. 30 notwendigerweise ein Totraum erzeugt. Der Totraum ist ein bloßes Artefakt des Vorhandenseins der Lippen 32 und 34, um zu verhindern, daß die Röhren 36 und 38 die Substratkontaktoberfläche berühren. Ferner passen die Röhren 36 bzw. 38 selten, falls überhaupt, perfekt in die Abdeckplattenrohrleitungen 28 bzw. 30. Das heißt, daß die äußere Röhrenoberfläche nicht immer fluchtgerecht an der Innenoberfläche der Rohrleitungen anliegt. Somit kann ein zusätzlicher Totraum, der bei 46 und 48 angegeben ist, die Folge sein. Diese Art von Totraum ist besonders schädlich für das Leistungsverhalten von Mikrobauelementen, da der Totraum zusätzlich dazu, daß er Probenabfall fördert, eine Verunreinigungsquelle darstellt. Wenn mehr als ein Fluid durch das Mikrobauelement befördert wird, kann der Totraum 46 und 48 das erste Fluid zurückbehalten. Wenn es nicht entfernt wird bevor das zweite Fluid durch das Mikrobauelement befördert wird, kann der zurückbehaltene Rückstand das zweite Fluid verunreinigen. Es sollte offensichtlich sein, daß, da der Totraum nicht in einem aktiven Abschnitt des Fluidströmungsweges liegt, es schwierig wäre, einen Rückstand aus dem Totraum zu entfernen, indem man den Strömungsweg mit einem Reinigungsfluid spült. Eine vollständige Entfernung des Rückstandes des ersten Fluids kann eine verlängerte Spülzeit und möglicherweise eine große Menge an Reinigungsfluid erfordern. Somit ist diese Ventilstruktur nicht ideal zur Verwendung bei Mikrofluidbauelementen, und es überrascht nicht, daß die Ventilstruktur bisher nicht für Mikrofluidanwendungen ausgelegt worden ist.
Eine Einbindung von Ventilstrukturen für Mikrobauelemente, wie sie nun bereitgestellt werden, vermeidet eine Erzeugung von übermäßigem Totraum. Somit ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikrobauelements aus einem Substrat und einer Abdeckplatte aufgebaut, die jeweils eine im Wesentlichen planare Kontaktoberfläche aufweisen. Jeder Kontaktoberfläche ist ein Fluidtransportmerkmal zugeordnet. Die Substratkontaktoberfläche ist in einem schiebbaren und fluiddichten Kontakt mit der Abdeckplattenkontaktoberfläche positioniert, um eine steuerbare Ausrichtung zwischen den Fluidtransportmerkmalen zu ermöglichen. Folglich wird zwischen den Fluidtransportmerkmalen eine Fluidkommunikation erreicht, in der Regel durch eine kleine Fläche, um das Totvolumen zu reduzieren. Ferner enthält das gebildete Mikrobauelement Strömungswege, die durch die Fluidtransportmerkmale definiert sind. Vorzugsweise ist die Querschnitts fläche der Strömungswege im Wesentlichen konstant, um das Totvolumen weiter zu verringern.
2 veranschaulicht ein einfaches Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikrobauelements, das nicht zu einer Bildung von übermäßigem Totraum führt. Das Mikrobauelement 50 verwendet eine Schaltstruktur, die eine Drehbewegung verwendet, um eine Strömungswegschaltung zu bewirken. Das Mikrobauelement 50 umfaßt ein quadratisches Substrat 52 mit einer ersten und einer zweiten gegenüberliegenden, im Wesentlichen planaren Oberfläche, die bei 54 bzw. 56 angegeben sind, und das aus einem Material besteht, das bezüglich Fluiden, die durch das Mikrobauelement transportiert werden, im Wesentlichen inert ist. Das Substrat 52 weist ein Fluidtransportmerkmal in Form eines Probenmikrokanals 58 in der ersten planaren Oberfläche 54 auf. Das Fluidtransportmerkmal kann durch Laserablation oder andere Verfahren, die unten erörtert oder in der Technik bekannt sind, gebildet sein. Man wird ohne weiteres erkennen, daß, obwohl der Probenmikrokanal 58 in einer im allgemeinen ausgestreckten Form dargestellt ist, Probenmikrokanäle für dieses und andere Ausführungsbeispiele eine Vielzahl von Konfigurationen aufweisen können, beispielsweise in einem geraden, serpentinenförmigen, spiralförmigen oder einem beliebigen gewünschten gewundenen Weg auftreten können. Wie oben beschrieben wurde, kann der Probenmikrokanal 58 ferner in einer großen Vielfalt von Kanalgeometrien gebildet sein, einschließlich halbkreisförmig, rechteckig, rautenförmig und dergleichen, und die Kanäle können in einer breiten Palette an Seitenverhältnissen gebildet sein. Es ist ferner zu bemerken, daß ein Bauelement, das eine Mehrzahl von Probenmikrokanälen auf demselben aufweist, in den Schutzbereich der Erfindung fällt. Der Probenmikrokanal 58 weist an einem Ende einen Probeneinlaßanschluß 60 und an einem anderen Ende einen Probenauslaßanschluß 62 auf. Von der Kontaktoberfläche stehen Mikroausrichtungseinrichtungen in Form einer Mehrzahl von Führungen 64 vor, die jeweils an einem Kreis, der bei B angegeben ist, angeordnet sind, dessen Durchmes ser lediglich geringfügig kürzer ist als die Länge einer Seite des quadratischen Substrates. Der Probeneinlaßanschluß 60 ist in dem Kreis B an einem Punkt angeordnet, der von dessen Mitte versetzt ist, und der Probenauslaßanschluß befindet sich an dem Rand des Substrats. Die Führungen dienen dazu, die ordnungsgemäße Ausrichtung der Abdeckplatte mit dem Substrat zu unterstützen.
Wie das Substrat, ist eine kreisförmige Abdeckplatte 70 vorgesehen, die allgemein eine erste und eine zweite gegenüberliegende, im Wesentlichen Planare Oberfläche aufweist, die bei 72 bzw. 74 angegeben sind. Die Kontaktoberfläche 72 der Abdeckplatte 70 ist in der Lage, eine enge Schnittstelle mit der Kontaktoberfläche 54 des Substrats 52 zu bilden, um einen fluiddichten Kontakt zwischen den Oberflächen zu erreichen. Die Abdeckplatte 70 ist über der Substratkontaktoberfläche 74 angeordnet, und die Abdeckplattenkontaktoberfläche 72 definiert zusammen mit dem Probenmikrokanal 58 eine Probenrohrleitung 76 zum Befördern der Probe. Da sich die Kontaktoberflächen der Abdeckplatte und des Substrats in fluiddichtem Kontakt befinden, ist auch die Probenrohrleitung 76 fluiddicht. Die Abdeckplatte 70 kann aus einem beliebigen geeigneten Material zum Bilden des Substrats 52 gebildet sein, wie unten beschrieben wird. Überdies kann die Abdeckplatte 70 durch die Führungen 64, die von der Substratkontaktoberfläche 54 vorstehen, über dieselbe ausgerichtet sein. Um sicherzustellen, daß die Probenrohrleitung fluiddicht ist, können Druckdichtungsverfahren verwendet werden, z. B. durch Verwenden externer Einrichtungen, um die Stücke zusammenzupressen (beispielsweise Klammern, Zugfedern oder zugeordnete Einspannvorrichtungen). Jedoch sollte ein übermäßiger Druck, der das Substrat und die Abdeckplattenkontaktoberfläche an einem schiebbaren Kontakt hindert, vermieden werden. Der optimale Druck kann durch ein routinemäßiges Experimentieren ermittelt werden. Wie bei allen hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen ermöglichen es die Druckdichtungsverfahren jedoch, daß die Kontaktoberflächen bei einem Fluidinnendruck in dem Mikrobauelement von bis zu ungefähr 100 Megapascal, in der Regel ungefähr 0,5 bis ungefähr 40 Megapascal, in fluiddichtem Kontakt bleiben.
Die Abdeckplatte 70 kann ferner eine Vielzahl von Merkmalen umfassen. Wie gezeigt ist, ist ein Probeneinlaßport 78 als eine zylindrische Rohrleitung vorgesehen, die sich durch die Abdeckplatte in eine Richtung erstreckt, die orthogonal zu der Abdeckplattenkontaktoberfläche 72 ist, um eine Kommunikation zwischen den Oberflächen 72 und 74 bereitzustellen. Obwohl eine axiale Symmetrie und Orthogonalität bevorzugt sind, muß der Probeneinlaßport nicht axial symmetrisch sein oder sich in einer orthogonalen Richtung zu der Abdeckplattenkontaktoberfläche erstrecken. Der Einlaßport 78 kann so angeordnet sein, daß er mit dem Probeneinlaßanschluß 60 des Probenmikrokanals 58 kommuniziert. Wie gezeigt ist, weist der Einlaßport 78 entlang seiner Länge eine im Wesentlichen konstante Querschnittsfläche auf. Der Probeneinlaßport 78 ermöglicht eine Fluiddurchgangsströmung von einer externen Quelle (nicht gezeigt) in den Probenmikrokanal. Die Querschnittsfläche des Einlaßports sollte der Breite des Substratmikrokanals und der Form des Mikrokanals an dem Einlaßanschluß entsprechen. 2B und 2C z. B. veranschaulichen in einer Draufsicht bzw. einer Querschnittsansicht die Schaltstruktur des Mikrobauelements in einer geschlossenen Konfiguration. Wie gezeigt ist, ist der Probeneinlaßport von dem Einlaßanschluß des Substratmikrokanals rotationsversetzt. Somit ist der Einlaßport 78, wie er gezeigt ist, von der Probenrohrleitung 76 gelöst. Durch ein Drehen der Abdeckplatte bezüglich des Substrats, um den Probeneinlaßport mit dem Einlaßanschluß des Substratmikrokanals auszurichten, wie in 2D und 2E gezeigt ist, wird zwischen denselben eine Fluidkommunikation bereitgestellt. Folglich ist die Schaltstruktur des Mikrobauelements auf eine offene Konfiguration geschaltet. Das heißt, daß ein Strömungsweg von dem Probeneinlaßport 78 zu der Probenrohrleitung 76 hergestellt ist. Im Betrieb wird dieses Probenfluid in einen Probeneinlaß eingebracht. Wenn sich das Mikrobauelement in einer offenen Konfiguration befindet, wie in 2D und 2E gezeigt ist, wird das Probenfluid der Reihe nach durch den Probeneinlaßport 78, die Probenrohrleitung 76 und den Probenauslaßport 79 befördert.
3 veranschaulicht schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikrobauelements, bei dem eine lineare Bewegung verwendet wird, um ein Fluidströmungsschalten zu bewirken. Das Mikrobauelement 50 umfaßt ein Substrat 52, das eine erste und eine zweite gegenüberliegende, im Wesentlichen planare Oberfläche aufweist, die bei 54 bzw. 56 angegeben sind. Wiederum besteht das Substrat aus einem Material, das bezüglich Fluiden, die durch das Mikrobauelement transportiert werden, im Wesentlichen inert ist. Das Substrat 52 weist ein Fluidtransportmerkmal in Form eines Probenmikrokanals 58 in der ersten planaren Oberfläche 54 auf. Der Probenmikrokanal 58 weist an einem Ende einen Probeneinlaßanschluß 60 und an einem anderen Ende einen Probenauslaßanschluß 62 auf. Von der Kontaktoberfläche 54 stehen Mikroausrichtungseinrichtungen in Form von Vorsprüngen 64 vor, die dazu dienen, die ordnungsgemäße Ausrichtung der Abdeckplatte mit dem Substrat zu unterstützen. Zusammen mit der Kontaktoberfläche bilden die Vorsprünge 64 eine Mulde 66, die parallele, planare und vertikale Seitenwände aufweist. Der Probeneinlaßanschluß 60 befindet sich an einem Punkt in der Mulde 66, der von den Seitenwänden gleich weit entfernt ist. Der Probenmikrokanal erstreckt sich entlang der Länge der Mulde und endet an dem Probenauslaßanschluß 62, der an einem Rand 68 des Substrats 52 angeordnet ist.
Wie auch das Substrat ist eine rechteckige Abdeckplatte 70 vorgesehen, die allgemein eine erste und eine zweite gegenüberliegende, im Wesentlichen planare Oberfläche aufweist, die bei 72 bzw. 74 angegeben sind. Wie in 3 veranschaulicht ist, ist die Breite der Abdeckplatte gleich der Breite der Substratmulde, die Länge der Abdeckplatte unterscheidet sich jedoch von der Länge der Mulde. Die Kontakt oberfläche 72 der Abdeckplatte 70 ist in der Lage, eine enge Schnittstelle mit der Kontaktoberfläche 54 des Substrats 52 zu bilden, um einen fluiddichten Kontakt zu bewirken. Die Abdeckplatte 70 ist in der Mulde angeordnet und somit über der Substratkontaktoberfläche 74 angeordnet, die Abdeckplatte 70 ist durch die Vorsprünge 64, die die Seitenwände der Mulde bilden, ausgerichtet. Zusammen mit dem Probenmikrokanal 58 definiert die Abdeckplattenkontaktoberfläche 72 eine Probenrohrleitung 76 zum Befördern der Probe. Da sich die Kontaktoberflächen der Abdeckplatte und des Substrats in fluiddichtem Kontakt befinden, ist auch die Probenrohrleitung 76 fluiddicht. Wie oben erörtert wurde, kann die Abdeckplatte 70 aus einem beliebigen geeigneten Material zum Bilden des Substrats 52 gebildet sein. Um sicherzustellen, daß die Probenrohrleitung fluiddicht ist, können Druckdichtungsverfahren verwendet werden, z. B. durch Verwenden externer Einrichtungen, um die Stücke zusammenzupressen (beispielsweise Klammern, Zugfedern oder zugeordnete Einspannvorrichtungen). Jedoch sollte ein übermäßiger Druck, der das Substrat und die Abdeckplattenkontaktoberfläche an einem schiebbaren Kontakt hindert, vermieden werden. Der optimale Druck kann durch ein routinemäßiges Experimentieren ermittelt werden.
Wie gezeigt ist, ist der Probeneinlaßport 78 als eine Rohrleitung vorgesehen, die sich durch die Abdeckplatte in einer Richtung erstreckt, die zu der Abdeckplattenkontaktoberfläche 72 orthogonal ist, um eine Kommunikation zwischen den Oberflächen 72 und 74 bereitzustellen. Der Einlaßport 78 kann angeordnet sein, um mit dem Probeneinlaßanschluß 60 des Probenmikrokanals 58 zu kommunizieren. Wie gezeigt ist, weist der Einlaßport 78 entlang seiner Länge eine im Wesentlichen konstante Querschnittsfläche auf. Der Probeneinlaßport 78 ermöglicht eine Strömung des Fluiddurchganges von einer externen Quelle (nicht gezeigt) in den Probenmikrokanal.
Die Querschnittsfläche des Einlaßports sollte der Breite des Substratmikrokanals und der Form des Mikrokanals an dem Einlaßanschluß entsprechen. Beispielsweise veranschaulicht 3B in einer schematischen Querschnittsansicht entlang der durch die gestrichelte Linie C angegebenen Ebene das Mikrobauelement in einer geschlossenen Konfiguration. Wie gezeigt ist, ist der Probeneinlaßport von dem Einlaßanschluß des Substratmikrokanals seitlich versetzt. Somit ist der Probeneinlaßport, wie er gezeigt ist, von der Probenrohrleitung 76 gelöst. Durch ein lineares Schieben der Abdeckplatte bezüglich des Substrats entlang der Substratmulde, um den Probeneinlaßport mit dem Einlaßanschluß des Substratmikrokanals auszurichten, wie in 3C gezeigt ist, wird eine Fluidkommunikation zwischen denselben bereitgestellt, was zu der Schaltstruktur des Mikrobauelements in einer offenen Konfiguration führt. Das heißt, daß dem Probeneinlaßport 78 eine Fluidkommunikation mit der Probenrohrleitung 76 bereitgestellt wird. Im Betrieb wird dieses Probenfluid in den Probeneinlaß eingebracht. Wenn sich das Mikrobauelement in einer offenen Konfiguration befindet, wie in 3C gezeigt ist, wird das Probenfluid der Reihe nach durch den Probeneinlaßport 78, die Probenrohrleitung 76 und den Probenauslaßport 79 befördert.
Es sollte offensichtlich sein, daß sich die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele von bekannten Ventilen in einer Reihe von verschiedenen Aspekten unterscheiden. Da diese Ausführungsbeispiele zur Verwendung bei Mikrobauelementen gedacht sind, wird zunächst eine Fluidkommunikation zwischen den Fluidtransportmerkmalen durch eine kleinere Fläche erreicht als bei bisher bekannten Mikrobauelementen, in der Regel eine Fläche von nicht mehr als ca. 1 mm². Die geringe Fluidkommunikationsfläche verringert das Ausmaß an Totraum in dem Mikrobauelement. Vorzugsweise ist die Fluidkommunikationsfläche nicht größer als ca. 0,1 mm². Optimalerweise ist die Fluidkommunikationsfläche nicht größer als 0,05 mm². Bei der derzeitigen Technologie liegt die Untergrenze für die Fluidkommunikationsfläche bei ca. 10^–6 mm², obwohl die Untergrenze in Zukunft wahrscheinlich reduziert werden wird. Da der Einlaßport eine Rohrleitung aufweist, die einen Strömungsweg mit einer im Wesentlichen konstanten Querschnittsfläche definiert, ist überdies das Totvolumen, das bei bekannten Ventilstrukturen, wie sie oben beschrieben und in 1 veranschaulicht sind, auftritt, beseitigt. Die Entsprechung zwischen der Größe und Form der Fluidtransportmerkmale der Abdeckplatte und des Substrats verringern das Totraumvolumen in dem Mikrobauelement noch weiter. Folglich sind nicht mehr als ca. 10% des Innenvolumens eines typischen erfindungsgemäßen Mikrobauelements ein Totraum. Vorzugsweise übersteigt der Totraum nicht ca. 5% des Innenvolumens. Optimalerweise übersteigt der Totraum nicht mehr als ca. 1% des Innenvolumens. „Innenvolumen" ist als die Kapazität des Mikrobauelements, Fluid zu enthalten, definiert. Übrigens sollte man beachten, daß, während 2 und 3 veranschaulichen, daß das erfindungsgemäße Mikrobauelement eine Rohrleitung als ein Abdeckplatten-Fluidtransportmerkmal und einen Mikrokanal als ein Substrat-Fluidtransportmerkmal umfassen kann, diese Kombination für die vorliegende Erfindung keine Notwendigkeit darstellt. Das erfindungsgemäße Mikrobauelement kann zwei Kanäle oder zwei Rohrleitungen ebenso wie andere Fluidleitungsmerkmale oder Kombinationen derselben umfassen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikrobauelements beinhaltet einen Aufbau, der eine größere Vielseitigkeit bei der Fluidströmungssteuerung bereitstellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist allgemein mindestens eine der ersten oder der zweiten Abdeckplattenkontaktoberflächen in einem schiebbaren Kontakt mit einer Substratkontaktoberfläche positioniert, um eine Bildung eines steuerbaren Strömungsweges zu ermöglichen. Ein solches Mikrobauelement ist schematisch in vereinfachter Form in 4 veranschaulicht. Es wird eine Drehbewegung verwendet, um ein Fluidströmungsschalten zwischen verschiedenen Fluidtransportmerkmalen zu bewirken. Das Mikrobauelement 50 umfaßt ein zylindrisches Substrat 52. Das Substrat 52 weist allgemein eine erste und eine zweite gegenüberliegende, im Wesentlichen planare Oberfläche auf, die bei 54 bzw. 56 angegeben sind, und besteht aus einem Material, das bezüglich Fluiden, die durch das Mikrobauelement transportiert werden, im Wesentlichen inert ist. Das Substrat 52 weist zwei Fluidtransportmerkmale auf, eines in Form einer zylindrischen Rohrleitung 57, die eine Fluidkommunikation zwischen der ersten und der zweiten Substratoberfläche bereitstellt, und das andere in Form eines Mikrokanals 58 in der ersten Substratkontaktoberfläche 54. Der Mikrokanal erstreckt sich entlang eines Durchmessers des Substrats und endet an dem Probeneinlaß und den Auslaßanschlüssen, bei 60 bzw. 62 angegeben. Die Rohrleitung 57 und jeder der Anschlüsse 60 und 62 sind gleich weit von der Mitte des Substrats beabstandet. Die Fluidtransportmerkmale können, durch eine Laserablation oder andere Verfahren, die nachfolgend erörtert werden oder in der Technik bekannt sind, gebildet sein.
Wie auch das Substrat ist eine erste kreisförmige Abdeck platte 70 vorgesehen, die eine erste und eine zweite gegenüberliegende, im Wesentlichen planare Oberfläche aufweist, die bei 72 bzw. 74 angegeben sind. Die Kontaktoberfläche 72 der ersten Abdeckplatte 70 ist in der Lage, eine enge Schnittstelle mit der ersten Kontaktoberfläche 54 des Substrats 52 zu bilden, um einen fluiddichten Kontakt zu bewirken. Die erste Abdeckplatte 70 ist über der ersten Substratkontaktoberfläche 74 angeordnet, und zusammen mit dem Probenmikrokanal 58 definiert die erste Abdeckplattenkontaktoberfläche 72 eine Probenrohrleitung 76 zum Befördern der Probe. Da sich die Kontaktoberflächen der ersten Abdeckplatte und des Substrats in fluiddichtem Kontakt befinden, ist auch die Probenrohrleitung 76 fluiddicht. Die erste Abdeckplatte 70 kann aus einem beliebigen geeigneten Material zum Bilden des Substrats 52, wie unten beschrieben, gebildet sein. Ferner kann die erste Abdeckplatte 70 durch eine beliebige einer Anzahl von Ausrichtungseinrichtungen, die hierin beschrieben oder in der Technik bekannt sind, über die Substratkontaktoberfläche 54 ausgerichtet sein. Um sicherzustellen, daß die Probenrohrleitung fluiddicht ist, können Druckdichtungsverfahren verwendet werden, z. B. durch Verwenden einer externen Einrichtung, um die Stücke zusammenzupressen (beispielsweise Klammern, Zugfedern oder zugeordnete Einspannvorrichtungen). Wiederum sollte ein übermäßiger Druck, der das Substrat und die Kontaktoberfläche der ersten Abdeckplatte an einem schiebbaren Kontakt hindert, vermieden werden.
Die erste Abdeckplatte 70 kann ferner eine Anzahl von Fluidtransportmerkmalen umfassen. Wie in 4 veranschaulicht ist, sind der Probeneinlaßport 78 und der erste Probenauslaßport 79 jeweils als eine zylindrische Rohrleitung vorgesehen, die sich in einer Richtung, die zu der ersten Abdeckplattenkontaktoberfläche 72 orthogonal ist, durch die erste Abdeckplatte erstreckt, um eine Kommunikation zwischen den Oberflächen 72 und 74 bereitzustellen. Der Einlaßport 78 kann angeordnet sein, um mit dem Probeneinlaßanschluß 60 des Probenmikrokanals 58 zu kommunizieren, während der erste Auslaßport 79 gleichzeitig angeordnet ist, um mit dem Probenauslaßanschluß 62 zu kommunizieren. Wie gezeigt ist, weisen sowohl der Einlaßport 78 als auch der erste Auslaßport 79 entlang ihrer Längen eine im Wesentlichen konstante Querschnittsfläche auf.
Es ist eine zweite kreisförmige Abdeckplatte 80 vorgesehen, die eine erste und eine zweite gegenüberliegende, im Wesentlichen planare Oberfläche aufweist, die bei 82 bzw. 84 angegeben sind. Die Kontaktoberfläche 82 der zweiten Abdeckplatte 80 ist in der Lage, eine enge Schnittstelle mit der zweiten Kontaktoberfläche 56 des Substrats 52 zu bilden, um einen fluiddichten Kontakt zu bewirken. Die zweite Abdeckplatte 80 kann ferner eine Anzahl von Fluidtransportmerkmalen umfassen. Wie in 4 veranschaulicht ist, ist ein Mikrokanal 86 vorgesehen, der bei einem Einlaßanschluß 88 an der Kontaktoberfläche 82 entsteht und bei einem zweiten Probenauslaßport 90 endet. Der zweite Probenauslaßport ist als eine zylindrische Rohrleitung vorgesehen, die sich in einer zu der Abdeckplattenkontaktoberfläche 82 orthogonalen Richtung durch die zweite Abdeckplatte erstreckt, um eine Kommunikation zwischen dem Mikrokanal 86 und der Oberfläche 84 bereitzustellen.
Das Substrat 50 ist über der zweiten Abdeckplattenkontaktoberfläche 82 angeordnet, und die zweite Substratkontaktoberfläche 54 definiert zusammen mit dem Probenmikrokanal 86 der zweiten Abdeckplatte 80 eine Probenrohrleitung 92 zum Befördern eines Fluids. Da sich die zweite Kontaktoberfläche des Substrats und die Kontaktoberfläche der zweiten Abdeckplatte in fluiddichtem Kontakt befinden, ist auch die Probenrohrleitung 92 fluiddicht. Die zweite Abdeckplatte 80 kann aus einem beliebigen geeigneten Material zum Bilden des Substrats 52, wie unten beschrieben wird, gebildet sein. Überdies ist die Abdeckplatte 80 in der Regel bezüglich der zweiten Substratkontaktoberfläche 54 ausgerichtet, um sicherzustellen, daß der Einlaßanschluß 88 des zweiten Abdeckplattenmikrokanals mit der Rohrleitung 57 des Substrats kommuniziert.
Es sollte offensichtlich sein, daß sich aufgrund der Ausrichtung der ersten Abdeckplatte bezüglich des Substrats unterschiedliche Strömungswege ergeben. 4 veranschaulicht, daß sich einer der beiden Strömungswege in Abhängigkeit von der Drehausrichtung der ersten Abdeckplatte bezüglich des Substrats und der zweiten Abdeckplatte ergeben kann. 4B und 4C veranschaulichen ein Beispiel des erfindungsgemäßen Mikrobauelements in einer ersten Konfiguration, um zu ermöglichen, daß ein Fluid der Reihe nach durch einen Einlaß, eine Substratrohrleitung und einen ersten Abdeckplattenauslaß strömt. 4B veranschaulicht das Beispiel in Draufsicht, und 4C veranschaulicht das Bauelement der 4B in einer Querschnittsansicht entlang einer gestrichelten Linie D. Wie in 4D und 4E gezeigt ist, wird durch Drehen der ersten Abdeckplatte bezüglich des Substrats ein unterschiedlicher Strömungsweg erzeugt, um zu ermöglichen, daß ein Fluid der Reihe nach durch einen Einlaß, eine zweite Abdeckplattenrohrleitung und einen zweiten Abdeckplattenauslaß strömt. 4D veranschaulicht in Draufsicht das Bauelement, das eine gedrehte erste Abdeckplatte aufweist, und 4E veranschaulicht das Bauelement der 4D in einer Querschnittsansicht entlang einer gestrichelten Linie E.
Bei einer solchen Struktur ist ferner eine Anzahl von Variationen möglich. Während 4 beispielsweise veranschaulicht, daß eine drehungsmäßige Schiebebewegung verwendet wird, um Strömungswege zu schalten, erkennen Fachleute, daß ein Mikrobauelement so aufgebaut sein kann, daß es eine lineare Schiebebewegung verwendet. In manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, die erste und die zweite Abdeckplatte relativ zueinander im Wesentlichen unbeweglich zu machen. Alternativ dazu kann das Substrat bezüglich entweder der ersten oder der zweiten Abdeckplatte im Wesentlichen unbeweglich gemacht werden. Derartige Variationen hängen von der gewünschten Funktion des Mikrobauelements sowie von den geometrischen Überlegungen, die mit den Fluidtransportmerkmalen zusammenhängen, ab. Wie oben erörtert wurde, wird eine Fluidkommunikation zwischen dem Abdeckplatten-Fluidtransportmerkmal in der Regel durch eine Fläche von nicht mehr als ca. 1 mm² erreicht, um das Totraumvolumen in dem Mikrobauelement zu verringern. Überdies sollten die Größe und Form der Fluidleitungsmerkmale der Abdeckplatten und des Substrats derart ausgewählt sein, daß sie das Totraumvolumen in dem Mikrobauelement weiter verringern. Ferner können weitere Substrate und/oder Abdeckplatten, die zugeordnete Merkmale aufweisen, in einer gestapelten oder anderen räumlichen Beziehung vorgesehen sein, um eine zusätzliche Steuerung der Fluidströmung bereitzustellen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Mikrobauelement zum Steuern einer Fluidströmung, das ein Substrat und eine Abdeckplatte aufweist, die jeweils eine im Wesentlichen planare Kontaktoberfläche aufweisen. Jeder Kontaktoberfläche ist ein Fluidtransportmerkmal zugeordnet.
Die Substratkontaktoberfläche ist in einem schiebbaren und fluiddichten Kontakt mit der Abdeckplattenkontaktoberfläche positioniert, um eine steuerbare Ausrichtung zwischen den Fluidtransportmerkmalen zu ermöglichen, um einen ausrichtungsabhängigen Strömungsweg einer variablen Länge zu bilden.
5 veranschaulicht schematisch ein Beispiel dieses Ausführungsbeispiels. Dieses Ausführungsbeispiel ist insofern ähnlich dem in 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel, als eine lineare Schiebebewegung verwendet wird, um die Strömungsweglänge zu verändern. Wie zuvor umfaßt das Mikrobauelement 50 ein Substrat 52, das eine erste und eine zweite gegenüberliegende, im Wesentlichen planare Oberfläche aufweist, die bei 54 bzw. 56 angegeben sind. Wiederum besteht das Substrat aus einem Material, das bezüglich Fluiden, die durch das Mikrobauelement transportiert werden, im Wesentlichen inert ist. Das Substrat 52 weist ein Fluidtransportmerkmal in Form eines Probenmikrokanals 58 in der ersten planaren Oberfläche 54 auf. Der Probenmikrokanal 58 weist an einem Ende einen Probeneinlaßanschluß 60 und an einem anderen Ende einen Probenauslaßanschluß 62 auf. Von der Kontaktoberfläche stehen optionale Vorsprünge 64 vor, die dazu dienen, die ordnungsgemäße Ausrichtung der Abdeckplatte mit dem Substrat zu unterstützen. Zusammen mit der Kontaktoberfläche bilden die Vorsprünge eine Mulde 66, die parallele, planare und vertikale Seitenwände aufweist. Der Probeneinlaßanschluß 60 ist in der Mitte der Mulde 66 angeordnet. Der Probenmikrokanal erstreckt sich entlang der Länge der Mulde und endet an einem Probenauslaßanschluß, der an einem Rand 68 des Substrats 52 angeordnet ist.
Wie auch bei dem Substrat ist eine rechteckige Abdeckplatte 70 vorgesehen, die allgemein eine erste und eine zweite gegenüberliegende, im Wesentlichen planare Oberfläche aufweist, die bei 72 bzw. 74 angegeben sind. Wie in 5 veranschaulicht ist, ist die Breite der Abdeckplatte gleich der Breite der Substratmulde, jedoch ist die Länge der Ab deckglatte länger als die Länge der Mulde. Die Kontaktoberfläche 72 der Abdeckplatte 70 ist in der Lage, eine enge Schnittstelle mit der Kontaktoberfläche 54 des Substrats 52 zu bilden, um einen fluiddichten Kontakt zu bewirken. Wie oben erörtert wurde, kann die Abdeckplatte 70 aus einem beliebigen geeigneten Material zum Bilden des Substrats 52 gebildet sein. Um sicherzustellen, daß die Probenrohrleitung fluiddicht ist, können Druckdichtungsverfahren eingesetzt werden, z. B. durch Verwenden externer Einrichtungen, um die Stücke zusammenzupressen (beispielsweise Klammern, Zugfedern oder zugeordnete Einspannvorrichtungen). Jedoch sollte ein übermäßiger Druck, der das Substrat und die Abdeckplattenkontaktoberfläche an einem schiebbaren Kontakt hindert, vermieden werden. Der optimale Druck kann durch ein routinemäßiges Experimentieren ermittelt werden.
Wie gezeigt ist, ist ein Mustereinlaßport 78 als eine Rohrleitung vorgesehen, die sich in einer zu der Abdeckplattenkontaktoberfläche 72 orthogonalen Richtung durch die Abdeckplatte erstreckt, um eine Kommunikation zwischen den Oberflächen 72 und 74 bereitzustellen. Von der Abdeckplattenkontaktoberfläche, die zu dem Probeneinlaßport benachbart ist, erstreckt sich eine Anhaltevorrichtung 94, die geformt ist, um in den Mikrokanal 58 zu passen. Der Einlaßport 78 kann angeordnet sein, um mit dem Probeneinlaßanschluß 60 des Probenmikrokanals 58 zu kommunizieren. Der Probeneinlaßanschluß 78 ermöglicht eine Fluiddurchgangsströmung von einer externen Quelle (nicht gezeigt) in den Probenmikrokanal. Die Größe des Einlaßports entspricht vorzugsweise der Breite des Substratmikrokanals.
Im Betrieb ist die Abdeckplatte 70 in der Mulde plaziert und somit über der Substratkontaktoberfläche 74 angeordnet, wobei die Abdeckplatte 70 durch die Vorsprünge 64, die die Seitenwände der Mulde bilden, ausgerichtet ist. Die Abdeckplattenkontaktoberfläche 72 definiert zusammen mit dem Probenmikrokanal 58 eine Probenrohrleitung 76 zum Befördern der Probe. Da sich die Kontaktoberflächen der Abdeckplatte und des Substrats in fluiddichtem Kontakt befinden, ist auch die Probenrohrleitung 76 fluiddicht. Ferner bildet die Anhaltevorrichtung 94 einen fluiddichten Kontakt mit der Innenoberfläche des Mikrokanals 58. Wie in 5B veranschaulicht ist, ermöglicht der Einlaßport 78 also eine Fluiddurchgangsströmung von einer externen Quelle (nicht gezeigt) in den Probenmikrokanal. Überdies dient die Anhaltevorrichtung dazu, die Probenrohrleitung 76 zu definieren. Durch ein lineares Schieben der Abdeckplatte bezüglich des Substrats entlang der Substratmulde, wie in 5C gezeigt ist, wird der Fluidströmungsweg verkürzt. Die Variabilität der Strömungsweglänge wird gemäß der gewünschten Funktion des Mikrobauelements ausgewählt.
Die Materialien, die verwendet werden, um die Substrate und Abdeckplatten in den Mikrobauelementen der Erfindung zu bilden, wie sie oben beschrieben sind, werden bezüglich physikalischer und chemischer Charakteristika, die für ein ordnungsgemäßes Funktionieren des Mikrobauelements wünschenswert sind, ausgewählt. In jedem Fall muß das Substrat aus einem Material hergestellt sein, das eine Bildung von Hochdefinitionsmerkmalen (oder Hoch-„Auflösungs"-Merkmalen) d. h. Mikrokanälen, Kammern und dergleichen, die Mikrometer- oder Submikrometerabmessungen aufweisen, ermöglicht. Das heißt, daß das Material zu einer Mikrofabrikation unter Verwendung von beispielsweise Trockenätzen, Naßätzen, Laserätzen, Laserablation, Formgießen, Prägen oder dergleichen fähig sein muß, um gewünschte miniaturisierte Oberflächenmerkmale aufzuweisen; vorzugsweise ist das Substrat in der Lage, auf eine derartige Weise mikrofabriziert zu werden, daß Merkmale in, an und/oder durch die Oberfläche des Substrats gebildet werden. Mikrostrukturen können ferner beispielsweise durch Hinzufügen eines Materials zu der Oberfläche eines Substrats auf derselben gebildet werden, Polymerkanäle können unter Verwendung eines photoabbildbaren Polyimids auf der Oberfläche eines Glassubstrats gebildet werden. Ferner sollten alle verwendeten Bauelementmaterialien bezüglich aller Substanzen, mit denen sie in Kon takt kommen, wenn sie verwendet werden, um eine Fluidprobe einzubringen (z. B. in Bezug auf pH-Wert, elektrische Felder usw.) chemisch inert und physikalisch stabil sein. Geeignete Materialien zum Bilden der vorliegenden Bauelemente umfassen polymere Materialien, Keramiken (einschließlich Aluminiumoxid und dergleichen), Glas, Metalle, Zusammensetzungen und Laminate derselben, sind jedoch nicht auf dieselben beschränkt.
Polymere Materialien sind hierin besonders bevorzugt und sind in der Regel organische Polymere, die entweder Homopolymere oder Copolymere sein können, natürlicherweise auftreten oder synthetisch sind, vernetzt oder unvernetzt sind. Spezifische interessierende Polymere umfassen Polyimide, Polycarbonate, Polyester, Polyamide, Polyether, Polyurethane, Polyfluorkohlenstoffe, Polystyrene, Poly(acrylonitril-Butadien-Styren) (ABS), Acrylat und Acrylsäurepolymere wie beispielsweise Polymethylmethacrylat, und andere substituierte und unsubstituierte Polyolefine und Colypolymere derselben, sind aber nicht auf diese beschränkt. Allgemein weist mindestens entweder das Substrat oder die Abdeckplatte ein bewuchsresistentes Polymer auf, wenn das Mikrobauelement dazu verwendet wird, biologische Fluide zu transportieren. Polyimid ist von besonderem Interesse und erwies sich auf vielen Gebieten als äußerst wünschenswertes Substratmaterial. Polyimide sind im Handel z. B. unter dem Handelsnamen Kapton^®, und Upilex^® erhältlich. Polyetheretherketone (PEEK) weisen ebenfalls wünschenswerte Bewuchsresistenz-Eigenschaften auf.
Die Bauelemente der Erfindung können auch aus einem „Verbundwerkstoff", d. h. einer Zusammensetzung, die aus ungleichen Materialien besteht, hergestellt sein. Der Verbundwerkstoff kann ein Blockverbundwerkstoff, z. B. ein A-B-A-Blockverbundwerkstoff, ein A-B-C-Blockverbundwerkstoff oder dergleichen sein. Alternativ dazu kann der Verbundwerkstoff eine heterogene Kombination aus Materialien, d. h. bei der die Materialien aus separaten Phasen unterschiedlich sind, oder eine homogene Kombination aus ungleichen Materialien sein. Der Begriff „Verbundwerkstoff" wird hierin so verwendet, daß er einen „Laminat"-Verbundwerkstoff umfaßt. Ein „Laminat" bezieht sich auf ein Verbundwerkstoffmaterial, das aus mehreren verschiedenen verbundenen Schichten aus identischen oder unterschiedlichen Materialien gebildet ist. Andere bevorzugte Verbundwerkstoffsubstrate umfassen Polymerlaminate, Polymer-Metall-Laminate, z. B. ein mit Kupfer beschichtetes Polymer, einen Keramik-In-Metall- oder einen Polymer-In-Metall-Verbundwerkstoff. Ein bevorzugtes Verbundwerkstoffmaterial ist ein Polyimidlaminat, das aus einer ersten Schicht aus Polyimid wie beispielsweise Kapton^® gebildet ist, das mit einer zweiten, dünnen Schicht einer wärmehaftenden Form eines Polyimids, als KJ^® bekannt, koextrudiert wurde, das ebenfalls von erhältlich ist.
Die vorliegenden Mikrobauelemente können unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Verfahrens hergestellt werden, einschließlich, aber nicht ausschließlich, Mikroformungs- und -gußtechniken, Prägemethoden, Oberflächenmikrobearbeitung und Massen-Mikrobearbeitung. Die letztgenannte Methode beinhaltet eine Bildung von Mikrostrukturen durch direktes Ätzen in ein Massenmaterial, in der Regel unter Verwendung eines chemischen Naßätzens oder eines reaktiven Ionenätzens („RIE” – reactive ion etching). Ein Oberflächenmikrobearbeiten beinhaltet eine Herstellung aus Filmen, die auf der Oberfläche eines Substrats aufgebracht sind. Ein beispielhafter Oberflächenmikrobearbeitungsprozeß ist als „LIGA" bekannt. Siehe beispielsweise Becker u. a. (1986), „Fabrication of Microstructures with High Aspect Ratios and Great Structural Heights by Synchrotron Radiation Lithography Galvanoforming, and Plastic Moulding (LIGA Process), "Microelectronic Engineering 4(1):35–36; Ehrfeld u. a. (1988), "1988 LIGA Process: Sensor Construction Techniques via X-Ray Lithography", Tech. Digest from IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Nilton Head, SC; Guckel u. a. (1991) J. Micromech. Microeng. 1:135–138. LIGA beinhaltet eine Aufbringung einer relativ dicken Schicht eines Röntgenphotolackes bzw. Röntgenresists auf ein Substrat, ein anschließendes Aussetzen einer Röntgenstrahlung hoher Energie durch eine Röntgenmaske und ein Entfernen der bestrahlten Resistabschnitte unter Verwendung eines chemischen Entwicklers. Die so bereitgestellte LIGA-Form kann verwendet werden, um Strukturen mit horizontalen Abmessungen – d. h. Durchmessern – in der Größenordnung von Mikrometern herzustellen.
Eine bevorzugte Methode zum Herstellen der vorliegenden Mikrobauelemente ist die Laserablation. Bei der Laserablation werden kurze Pulse eines intensiven ultravioletten Lichts in einer dünnen Oberflächenschicht eines Materials absorbiert. Bevorzugte Pulsenergien sind größer als ca. 100 Millijoules pro Quadratzentimeter, und Pulsdauern sind kürzer als ca. 1 Mikrosekunde. Unter diesen Bedingungen photodissoziiert das intensive ultraviolette Licht die chemischen Bindungen in der Substratoberfläche. Die absorbierte ultraviolette Energie wird in einem solch geringen Volumen an Material konzentriert, daß sie die dissoziierten Fragmente schnell erhitzt und sie von der Substratoberfläche wegstößt. Da diese Prozesse so schnell stattfinden, bleibt keine Zeit dafür, daß sich Hitze bis zu dem umgebenden Material ausbreitet. Folglich wird die umgebende Region nicht geschmolzen oder auf andere Weise beschädigt, und der Umfang von abladierten Merkmalen kann die Form des einfallenden optischen Strahls im Maßstab von ca. 1 Mikrometer oder weniger präzise replizieren. Eine Laserablation beinhaltet in der Regel eine Verwendung eines Photonenlasers hoher Energie wie beispielsweise eines Excimer-Lasers vom Typ F₂, ArF, KrCl, KrF oder XeCl oder des Feststoff-Nd-YAG- oder Ti:Saphir-Typs. Es können jedoch auch andere Quellen eines ultravioletten Lichts mit im Wesentlichen denselben optischen Wellenlängen und Energiedichten verwendet werden. Laserablationsmethoden werden beispielsweise von Znotins u. a. (1987) Laser Focus Electro Optics auf Seiten 54 bis 70 und in den U.S.-Patenten Nr. 5 291 226 A und 5 305 015 A von Schantz u. a. beschrieben.
Die verwendete Herstellungstechnik muß Merkmale einer ausreichend hohen Definition bereitstellen, d. h. Mikroskala-Komponenten, -Kanäle, -Kammern, usw., derart, daß eine präzise Ausrichtung, „Mikroausrichtung", dieser Merkmale möglich ist, d. h. daß die laserabladierten Merkmale präzise und genau ausgerichtet sind, einschließlich z. B. der Ausrichtung von komplementären Mikrokanälen zueinander, Vorsprüngen und passenden Vertiefungen, Rillen und passenden Stegen und dergleichen.
Aus der obigen Beschreibung der diversen Ausführungsbeispiele der Erfindung geht klar hervor, daß die erfindungsgemäße Ventilstruktur eine Anzahl von Vorteilen gegenüber den Bauelementen des Standes der Technik bereitstellt. Die Erfindung stellt eine größere Steuerung eines Fluidtransports bei Mikrobauelementen durch Verringern von Totraum bereit. Es sollte ferner offensichtlich sein, daß die Ventilstruktur Mikrobauelementen eine größere Kontrolle beim Durchführen chemischer oder biochemischer Reaktionen und Prozesse für eine Probenherstellung und -analyse bereitstellen kann. Beispielsweise kann die Erfindung mit einem Detektor verwendet werden, der eine Komponente eines Massenspektrometers darstellt oder der ausgelegt ist, um Fluoreszenz zu erfassen. Überdies ist die Erfindung besonders nützlich bei der Verwendung mit einer Trennungseinheit. Die Trennungseinheit kann ein fester Bestandteil des Mikrobauelements oder von dem Mikrobauelement entfernbar sein. Beispielsweise kann die Trennungseinheit so aufgebaut sein, daß sie eine Chromatographie durchführt.
Somit sind für Fachleute Variationen der vorliegenden Erfindung offensichtlich. Beispielsweise können zusätzliche Substrate, Abdeckplatten und/oder Merkmale in gestapelten oder anderen räumlichen Anordnungen enthalten sein, um solche Reaktionen und Prozesse durchzuführen. Solche Merkmale können aus Rohrleitungen und Kanälen gebildet sein, die eine Fluidströmung in einer parallelen oder einer nichtparallelen Richtung bezüglich der Kontaktoberflächen bereitstellen. Ferner kann die erfindungsgemäße Ventilstruktur Merkmale auf demselben Substrat oder unterschiedlichen Substraten, die ansonsten isoliert wären, eine Fluidkommunikation bereitstellen. In manchen Fällen können Ventilstrukturen auf gegenüberliegenden Oberflächen eines Mikrobauelements vorgesehen sein. In anderen Fällen können drehungsmäßig schiebbare Ventilstrukturen als konzentrische Körper gebildet sein. Ferner können weitere Substrate einer Vielzahl von Formen verwendet werden. Es können Verriegelungsmechanismen vorgesehen sein, um einen höheren Steuerungsgrad der Position der Kontaktoberflächen zu erhalten. Insbesondere wenn das Substrat und/oder die Abdeckplatte aus harten Materialien wie beispielsweise Glas oder Silizium gebildet ist, kann ein nachgiebiges Dichtungsmaterial oder ein Schmiermittel zwischen das Substrat und die Abdeckplatte plaziert werden.

Claims

Mikrobauelement (50) zum Steuern einer Fluidströmung, das ein Substrat (52) und eine Abdeckplatte (70) aufweist, die jeweils eine im Wesentlichen planare Kontaktoberfläche aufweisen, wobei jeder Kontaktoberfläche ein Fluidtransportmerkmal zugeordnet ist, wobei die Substratkontaktoberfläche (54) in einem schiebbaren und fluiddichten Kontakt mit der Abdeckplattenkontaktoberfläche (72) positioniert ist, derart, daß sich die Fluidtransportmerkmale ausrichten, um eine Fluidtransportleitung (76) zu bilden, die eine steuerbare Querschnittsfläche von nicht mehr als ca. 1 mm² aufweist.
Mikrobauelement (50) gemäß Anspruch 1, bei dem die steuerbare Querschnittsfläche nicht größer ist als ca. 0,1 mm².
Mikrobauelement (50) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Kontaktoberflächen relativ zueinander auf drehbare Weise schiebbar sind.
Mikrobauelement (50) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Kontaktoberflächen relativ zueinander linear schiebbar sind.
Mikrobauelement (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem mindestens eines der Fluidtransportmerkmale einen Kanal umfaßt.
Mikrobauelement (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem mindestens eines der Fluidtransportmerkmale eine Leitung umfaßt.
Mikrobauelement (50) gemäß Anspruch 6, bei dem die Leitung eine Fluidströmung in einer nicht-parallelen Richtung bezüglich der Kontaktoberflächen liefert.
Mikrobauelement (50) gemäß Anspruch 7, bei dem die durch die Leitung gelieferte Fluidströmungsrichtung im Wesentlichen orthogonal zu einer der planaren Oberflächen ist.
Mikrobauelement (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem sich mindestens eines der Merkmale in Fluidkommunikation mit einer Trennungseinheit befindet.
Mikrobauelement (50) gemäß Anspruch 9, bei dem die Trennungseinheit ein fester Bestandteil des Mikrobauelements ist.
Mikrobauelement (50) gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem die Trennungseinheit von dem Mikrobauelement abnehmbar ist.
Mikrobauelement (50) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Trennungseinheit aufgebaut ist, um eine Chromatographie durchzuführen.
Mikrobauelement (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem sich mindestens eines der Merkmale in Fluidkommunikation mit einem Detektor befindet.
Mikrobauelement (50) gemäß Anspruch 13, bei dem der Detektor eine Komponente eines Massenspektrometers darstellt.
Mikrobauelement (50) gemäß Anspruch 13 oder 14, bei dem der Detektor ausgelegt ist, um Fluoreszenz zu erfassen.
Mikrobauelement (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, das ferner ein zusätzliches Fluidtransportmerkmal in der Substratkontaktoberfläche (54) aufweist.
Mikrobauelement (50) gemäß Anspruch 16, bei dem die Substratmerkmale auf eine Ausrichtung mit dem Abdeckplattenmerkmal (78) hin eine Fluidkommunikation miteinander aufweisen.
Mikrobauelement (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem das Substrat (50) eine gegenüberliegende Oberfläche (56) aufweist, die zu den Kontaktoberflächen im Wesentlichen parallel ist.
Mikrobauelement (50) gemäß Anspruch 18, das ferner eine zusätzliche Abdeckplatte (80) aufweist, die eine Kontaktoberfläche (82) aufweist, die sich in schiebbarem und fluiddichtem Kontakt mit der gegenüberliegenden Oberfläche (56) des Substrats (52) befindet.
Mikrobauelement (50) gemäß Anspruch 19, bei dem die Abdeckplatten relativ zueinander im Wesentlichen unbeweglich sind.
Mikrobauelement (50) gemäß Anspruch 19 oder 20, das ferner ein der zusätzlichen Abdeckplattenkontaktoberfläche (82) zugeordnetes Fluidtransportmerkmal (86) aufweist, wobei eine Ausrichtung des Substratmerkmals (58), des Abdeckplattenmerkmals (78) und des zusätzlichen Abdeckplattenmerkmals (86) eine Fluidkommunikation zwischen den Fluidtransportmerkmalen der Abdeckplatten liefert.
Mikrobauelement (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21, bei dem mindestens entweder das Substrat (52) oder die Abdeckplatte (70) ein bewuchsresistentes Polymer aufweist.
Mikrobauelement (50) gemäß Anspruch 22, bei dem das bewuchsresistente Polymer aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polyimiden, Polyketon, Gemischen derselben und Copolymeren derselben besteht.
Mikrobauelement (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23, bei dem die Kontaktoberflächen unter einem Mikrobauelement-Innendruck von bis zu 100 Megapascal in fluiddichtem Kontakt bleiben.
Mikrobauelement (50) gemäß Anspruch 24, bei dem der Mikrobauelement-Innendruck ca. 0,5 bis ca. 40 Megapascal beträgt.
Mikrobauelement (50) zum Steuern einer Fluidströmung, das ein Substrat (52) und eine Abdeckplatte (70) aufweist, die jeweils eine im Wesentlichen planare Kontaktoberfläche aufweisen, wobei jeder Kontaktoberfläche ein Fluidtransportmerkmal zugeordnet ist, wobei die Substratkontaktoberfläche (54) in schiebbarem und fluiddichtem Kontakt mit der Abdeckplattenkontaktoberfläche (72) positioniert ist, um eine steuerbare Ausrichtung zwischen den Fluidtransportmerkmalen zu ermöglichen, was zu einer Fluidkommunikation zwischen denselben führt, und wobei das Abdeckplatten-Fluidtransportmerkmal (78) ferner eine Leitung mit einer im Wesentlichen konstanten Querschnittsfläche aufweist.
Mikrobauelement (50) gemäß Anspruch 26, bei dem das Substrat-Fluidtransportmerkmal (58) einen Kanal aufweist, wobei der Kanal zusammen mit der Abdeckplattenkontaktoberfläche (62) eine zusätzliche Leitung (76) bildet, die sich bei einer ordnungsgemäßen Ausrichtung in Fluidkommunikation mit der Abdeckplattenleitung befindet.
Mikrobauelement (50) gemäß Anspruch 26 oder 27, bei dem das Substrat-Fluidtransportmerkmal (58) eine Substratleitung umfaßt.
Mikrobauelement (50) gemäß Anspruch 28, bei dem die Substrat- und die Abdeckplattenleitungen im Wesentlichen identische Querschnittsflächen aufweisen.
Mikrobauelement (50) zum Steuern einer Fluidströmung, das ein Substrat (52) und eine Abdeckplatte (70) aufweist die jeweils eine im Wesentlichen planare Kontaktoberfläche aufweisen, wobei jeder Kontaktoberfläche ein Fluidtransportmerkmal zugeordnet ist, wobei ein Fluidtransportmerkmal einen Fluidkanal (58) und ein Fluidtransportmerkmal einen Anschlag (94) aufweist, wobei die Substratkontaktoberfläche (54) in schiebbarem und fluiddichtem Kontakt mit der Abdeckplattenkontaktoberfläche (72) positioniert ist, um eine steuerbare Ausrichtung zwischen den Fluidtransportmerkmalen zu ermöglichen, um die Position des Anschlags in dem Fluidkanal einzustellen, um einen ausrichtungsabhängigen Strömungsweg einer variablen Länge zu bilden.
Mikrobauelement (50) zum Steuern einer Fluidströmung, das folgende Merkmale aufweist: ein Substrat (52) mit mindestens zwei im Wesentlichen planaren Kontaktoberflächen und einer Leitung (58), die sich durch dieselben erstreckt, um eine Fluidkommunikation zwischen den Kontaktoberflächen zu liefern; eine erste (70) und eine zweite (80) Abdeckplatte, wobei jede Abdeckplatte eine im Wesentlichen planare Kontaktoberfläche aufweist, die in im Wesentlichen fluiddichtem Kontakt mit einer Substratkontaktoberfläche positioniert ist, wobei die erste Abdeckplattenkontaktoberfläche (72) ein derselben zugeordnetes Fluidtransportmerkmal aufweist und mindestens eine der ersten oder der zweiten Abdeckplattenkontaktoberflächen in schiebbarem Kontakt mit einer Substratkontaktoberfläche positioniert ist, um eine Bildung eines steuerbaren Strömungsweges zu ermöglichen, der das Fluidtransportmerkmal und die Substratleitung beinhaltet.
Mikrobauelement (50) gemäß Anspruch 31, bei dem die erste und die zweite Abdeckplatte relativ zueinander im Wesentlichen unbeweglich sind.
Mikrobauelement (50) gemäß Anspruch 31 oder 32, bei dem das Substrat (52) relativ zu entweder der ersten oder der zweiten Abdeckplatte im Wesentlichen unbeweglich ist.
Mikrobauelement (50) gemäß Anspruch 32 oder 33, bei dem sich die Substratkontaktoberflächen in einer einander gegenüberliegenden Beziehung befinden.
Mikrobauelement (50) gemäß Anspruch 34, bei dem die Substratkontaktoberflächen im Wesentlichen parallel zueinander sind.