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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Kontaktieren einer Mikrofluidikstruktur, die zumindest
einen Mikrokanal und eine damit verbundene Zugangsöffnung zum
Einbringen eines ersten Fluidums aufweist.
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Die Erfindung betrifft ferner eine
Vorrichtung zum Kontaktieren einer solchen Mikrofluidikstruktur, mit
einer Aufnahme für
die Mikrofluidikstruktur und mit einer Kontakteinheit mit zumindest
einem Fluidkanal, der mit der Zugangsöffnung der Mikrofluidikstruktur
verbindbar ist.
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Die Erfindung betrifft schließlich auch
eine entsprechende Mikrofluidikstruktur selbst, die zur Anwendung
des Verfahrens bzw. zur Verwendung in der Vorrichtung optimiert
ist.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung
der genannten Art sind beispielsweise aus der
DE 199 28 410 C2 bekannt.
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Mikrofludik im Sinne der vorliegenden
Erfindung ist ein technisches Gebiet, das sich mit der Entwicklung
und Anwendung von Geräten
und Verfahren beschäftigt,
bei denen extrem kleine Mengen eines Fluidums (Flüssigkeit
oder Gas) gehandhabt werden. Typischerweise liegt die Menge des
Fluidums im Bereich von Nanolitern (10–9 Liter)
oder sogar Pikolitern (10–12 Liter). Aufgrund
dieser extrem geringen Fluidmengen lässt sich einerseits eine Miniaturisierung
an sich bekannter Anwendungen erreichen. Darüber hinaus bietet die Mikrofluidik
aber auch die Möglichkeit,
neue Anwendungsfelder zu erschließen. Eine im Rahmen der vorliegenden
Erfindung bevorzugte Anwendung ist die pharmazeutische, chemische
und/oder biochemische Analyse und auch Synthese von Stoffen, insbesondere
unter dem Schlagwort „Lab-on-a-chip". Dabei werden geringste
Mengen eines zu untersuchenden Stoffes mit Hilfe einer Mikrofluidikstruktur
analysiert, was unter anderem kurze Analysezeiten sowie verlässliche
Ergebnisse selbst bei geringsten Mengen der Stoffprobe ermöglicht.
Die Erfindung ist auf dieses derzeit bevorzugte Anwendungsgebiet
jedoch grundsätzlich nicht
beschränkt
und kann auch in anderen Fällen zum
Einsatz kommen, in denen mikrofluidische Strukturen kontaktiert
werden müssen.
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Im Hinblick auf die bevorzugte Anwendung handelt
es sich bei Mikrofluidikstrukturen im Sinne der vorliegenden Erfindung
um einen Träger
(„Chip"), der eine Anzahl
von Mikrokanälen
zur Aufnahme und gezielten Leitung von Fluiden in den oben genannten Mengen
aufweist. Die Mikrokanäle
besitzen den Fluidmengen entsprechende Abmessungen im Bereich von
einigen 10 bis 100 Mikrometern. Solche Strukturen werden heutzutage
mit Verfahren hergestellt, wie sie ähnlich aus dem Bereich der
Mikroelektronik bekannt sind. In der Regel werden die feinen Mikrokanäle mit Hilfe
von Ätzprozessen
hergestellt.
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Angesichts der geringen Abmessungen
ist es nachvollziehbar, dass die Kontaktierung der Mikrofluidikstrukturen
und insbesondere das Einbringen des oder der Fluide in die Mikrokanäle eine
technische Herausforderung darstellt. Zur Lösung sind im Stand der Technik
verschiedene Ansätze
bekannt.
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Ein erster, recht einfacher Ansatz
besteht darin, die Mikrofluidikstruktur mit vergrößerten,
napf- oder trichterförmigen
Zugangsöffnungen
zu versehen, in die eine Flüssigkeit
mit Hilfe einer Pipette eingetropft werden kann. Von der relativ
großen
Zugangsöffnung
aus dringt die Flüssigkeit
dann aufgrund von Kapillarkräften
in den oder die Mikrokanäle ein.
Offenbart ist dieser Ansatz beispielsweise in der US 2002/0185377
A1. Um mit diesem einfachen Ansatz verbundene Probleme zu beseitigen,
schlägt dieselbe
Druckschrift ferner eine Anordnung vor, bei der eine Vielzahl von
Stiften an einem beweglichen Träger
angeordnet ist. Mit Hilfe der Stifte werden Tropfen einer Flüssigkeit
gebildet und anschließend werden
die Stifte in napfförmige
Zugangsöffnungen auf
der Mikrofluidikstruktur eingetaucht. Für das Befüllen der Mikrokanäle werden
dabei gleichermaßen die
vorhandenen Kapillarkräfte
ausgenutzt.
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Ein häufig praktizierter und vorgeschlagener Ansatz
zur Kontaktierung von Mikrofluidikstrukturen besteht darin, an den
Zugangsöffnungen
Kapillarröhrchen
zu befestigen, an die dann eine externe Peripherie angeschlossen
werden kann. Beispiele für diese
Art der Kontaktierung finden sich in
US 5,890,745 ,
US 6,209,928 B1 ,
US 6,273,478 B1 ,
WO 01/53794 A1 sowie in den Veröffentlichungen „Micromachine
Rubber O-Ring Micro-Fluidic Couplers" von Yao et al., Proceedings IEEE Thirteenth
Annual Conference on Micro Electro Mechanical Systems, Seiten 624-627
und „Novel
Interconnection Technologies for Integrated Microfluidic Systems" von Gray et al.,
Sensors and Actuators 77 (1999) Seiten 57-65.
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Problematisch ist es hierbei allerdings,
eine stabile und dichte Befestigung der Kapillarröhrchen an
der Mikrofluidikstruktur zu erreichen. In den genannten Druckschriften
wird unter anderem vorgeschlagen, die Kapillarröhrchen in eine auf der Mikrofluidikstruktur
angeordnete Spannhülse
einzuschrauben oder über
Pressfassungen zu befestigen. Zum Abdichten werden O-Ringe oder
innerhalb der Spannhülse
angeordnete Elastomere vorgeschlagen. Die Herstellung und Handhabung
dieser Kontaktierungen, insbesondere das Anbringen der Dichtungen,
sind jedoch aufwändig.
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Aus
US 6,443,179 B1 ist eine Anordnung mit einer
Mikrofluidikstruktur bekannt, die in einem Dual-Inline-Gehäuse angeordnet
ist, wie es vergleichbar aus der Mikroelektronik bekannt ist. Das
Dual-Inline-Gehäuse
ermöglicht
eine sogenannte Umformatierung, indem es „makroskopische" Fluidanschlüsse bereitstellt,
die über
gehäuseinterne
Kanäle
mit den mikroskopischen Zugangsöffnungen
der eigentlichen Mikrofluidikstruktur verbun den sind. Diese Art
der Kontaktierung erscheint gut geeignet für Anwendungen, bei denen beispielsweise
ein mikrofluidischer Airbag-Sensor mit einer elektronischen Auswerteschaltung
kombiniert werden soll. Für
pharmazeutische und/oder chemische Reihenuntersuchungen ist diese
Art der Kontaktierung jedoch zumindest aus heutiger Sicht zu aufwändig und
teuer.
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Aus US 2002/0127149 A1 ist eine Anordnung
bekannt, um eine Mikrofluidikstruktur für chemische oder biochemische
Reihenuntersuchungen zu kontaktieren. Die Mikrofluidikstruktur wird
in diesem Fall in einen „makroskopischen" Halter eingesetzt, der
trichterförmige
Zugangsöffnungen
aufweist, in die eine zu untersuchende Flüssigkeit einpipetiert werden
kann. Um die zu untersuchende Flüssigkeit
von dem Halter in die Mikrokanäle
der Mikrofluidikstruktur zu befördern,
ist ferner vorgeschlagen, die Zugangsöffnungen des Halters nach dem
Einbringen der Flüssigkeit
mit einem Dichtstopfen zu verschließen und anschließend durch
den Dichtstopfen hindurch mit einer Spritze einen Überdruck
aufzubauen. Die Hohlnadel der Spritze soll die zu untersuchende
Flüssigkeit
jedoch ausdrücklich
nicht berühren.
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Aus der eingangs genannten
DE 199 28 410 C2 ist
ein Gerät
zum Betrieb einer Labor-Mikrofluidikstruktur bekannt. Die Mikrofluidikstruktur
wird über Verbindungsleitungen
kontaktiert, die von außen
an die Zugangsöffnungen
der Struktur herangeführt werden.
Die Ankopplung der Verbindungsleitungen an die Mikrofluidikstruktur
ist im Detail allerdings nicht näher
beschrieben.
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Aus einem gänzlich anderen Gebiet, nämlich der
medizinischen Praxis, ist es schließlich bekannt, die Kanüle einer
Spritze durch die Gummidichtung eines Gefäßes zu stoßen, um zum Befüllen der
Spritze Flüssigkeit
aus dem Gefäß zu entnehmen.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Möglichkeit
anzugeben, um eine Mikrofluidikstruktur schnell, zuverlässig und
variabel zu kontaktieren.
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Diese Aufgabe wird nach einem Aspekt
der Erfindung durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches
die folgenden Schritte beinhaltet:
- – Anordnen
einer Schicht aus elastischem Material oberhalb von der Zugangsöffnung,
- – Durchstoßen der
Schicht mittels zumindest einer Hohlnadel, und
- – Einbringen
des ersten Fluidums in den Mikrokanal durch die zumindest eine Hohlnadel.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird
die Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei
der die Kontakteinheit zumindest eine mit dem Fluidkanal verbundene Hohlnadel
aufweist, die zum Durchstoßen
einer Schicht aus elastischem Material ausgebildet ist, welche auf
der Mikrofluidikstruktur vorgesehen ist.
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Alle bislang bekannten Ansätze zum
Kontaktieren einer Mikrofluidikstruktur lassen sich auf einen von
zwei Ansätzen
zurückführen. Bei
dem einen Ansatz wird eine Flüssigkeit über eine „freie
Wegstrecke" hinweg
in freiliegende Zugangsöffnungen
der Mikrofluidikstruktur eingetropft. Bei dem anderen Ansatz wird
das Fluidum über
an der Mikrofluidikstruktur befestigte Kapillarröhrchen zugeführt. Die
vorliegende Erfindung schlägt
demgegenüber
einen neuen, dritten Weg ein. Anders als beim Einpipetieren oder Eintropfen
wird das Fluidum mit Hilfe der zumindest einen Hohlnadel über ein
geschlossenes Kanalsystem, das heißt ohne „freie Wegstrecke", in die Mikrofluidikstruktur
eingebracht. Dies ermöglicht
eine besonders zuverlässige
Kontaktierung, da das Fluidum bis zur endgültigen Freisetzung innerhalb
der Struktur kontrolliert wird. Darüber hinaus erlaubt es das geschlossene
Zuführungssystem,
nicht nur Flüssigkeiten,
sondern auch Gase gezielt in die Mikrofluidikstruktur einzubringen.
Außerdem
werden Kontaminationen des Fluidums beim Einbringen in die Mikrofluidikstruktur
vermieden.
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Die Verwendung einer in die Zugangsöffnung der
Mikrofluidikstruktur eintauchenden Hohlnadel ermöglicht zudem eine sehr variable
Kontaktierung. Insbesondere ist es mit Hilfe von mehreren Hohlnadeln
leicht möglich,
verschiedene Fluide jeweils stoffrein und gezielt in eine Mikrofluidikstruktur
einzubringen. Zudem ermöglicht
die Verwendung einer eintauchenden Hohlnadel auf einfache Weise
ein mehrfaches Kontaktieren und Lösen. Diese Vorteile sind mit den
bislang bekannten Kapillarröhrchen
nicht erreichbar.
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Schließlich entfällt die aufwändige Handhabung
mikrokleiner Dichtringe bei der Herstellung der Kontaktierung sowie
das aufwändige
Befestigen mikrokleiner Kapillarröhrchen an der Mikrofluidikstruktur
durch Einschrauben, Einpressen und/oder Einkleben.
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Die genannte Aufgabe ist damit vollständig gelöst.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung
wird die Hohlnadel beim Durchstoßen der Schicht in einem Kulissenstück geführt.
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Anders ausgedrückt bewegt sich die Hohlnadel
hiernach beim Durchstoßen
der Schicht relativ zu einem Kulissenstück, das eine exakte Führung der Hohlnadel
gewährleistet.
Die Positioniergenauigkeit der Hohlnadel relativ zu der Mikrofluidikstruktur
wird dadurch verbessert. Außerdem
kann die Hohlnadel auf diese Weise stabilisiert werden, was das
Risiko einer Beschädigung
der Hohlnadel und/oder der elastischen Schicht deutlich verringert.
Die Kontaktierung ist daher noch zuverlässiger.
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In einer weiteren Ausgestaltung der
zuvor genannten Maßnahme
wird das Kulissenstück
beim Durchstoßen
der Schicht auf die Schicht aus elastischem Material gedrückt, und
zwar bevorzugt flächig.
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Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass die
elastische Schicht beim Durchstoßen mit der Hohlnadel stabilisiert
wird, was einerseits eine verbesserte Abdichtung der Mikrofluidikstruktur
zur Folge hat und andererseits einer Beschädigung von Hohlnadel und/oder
elastischer Schicht entgegenwirkt. Diese Ausgestaltung ermöglicht somit
eine noch zuverlässigere
Kontaktierung und zudem eine verbesserte Abdichtung beim Kontaktieren.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird
die Hohlnadel vor dem Durchstoßen
der Schicht bis zu einer Austrittsöffnung mit dem ersten Fluidum
gefüllt.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht es,
die Mikrofluidikstruktur blasenfrei zu befüllen, was vor allem für die pharmazeutische
und/oder chemische Analyse von Stoffproben von Vorteil ist, da hierdurch determinierte
Analyseumgebungen gewährleistet sind.
Auch das Eindringen von Verunreinigungen in die Mikrofluidikstruktur
wird durch diese Ausgestaltung noch zuverlässiger verhindert.
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In einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung wird der Mikrokanal vor dem Einbringen des ersten Fluidums
vollständig
mit einem zweiten Fluidum gefüllt.
Bevorzugt wird das zweite Fluidum dabei mit einer zweiten Hohlnadel,
die die elastische Schicht durchstößt, in den Mikrokanal eingebracht. Dementsprechend
besitzt die Kontakteinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bevorzugt mehrere Hohlnadeln
zum Durchstoßen
der Schicht, wobei die mehreren Hohlnadeln vorzugsweise getrennt
voneinander steuerbar sind.
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Mit dieser Ausgestaltung lässt sich
eine besonders variable Befüllung
der Mikrofluidikstruktur erreichen, was vielfältige und auch neue Analyse- und
Synthesemöglichkeiten
erlaubt. Die Verwendung mehrerer Hohlnadeln besitzt zudem den Vorteil,
dass jedes Fluidum stoffrein in die Mikrofluidikstruktur eingebracht
werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird
die Hohlnadel (oder werden die mehreren Hohlnadeln) beim Einbringen
des Fluidums mit einer einstellbaren Eintauchtiefe in die Zugangsöffnung eingeführt. Die bevorzugte
Vorrichtung besitzt dementsprechend eine Positioniereinheit, die
eine variable Eintauchtiefe der Hohlnadel (oder der Hohlnadeln)
in den Mikrokanal ermöglicht.
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Durch diese Ausgestaltung wird eine
besonders variable Möglichkeit
zum Kontaktieren der Mikrofluidikstruktur bereitgestellt. Das Fluidum
kann dann nämlich
in unterschiedlichen Höhen
in Mikrokanäle
der Struktur eingebracht werden. In Kombination mit der zuvor genannten
Ausgestaltung, bei der mehrere Fluide in den Mikrokanal eingebracht
werden, lassen sich so definierte Mischbereiche erzeugen. Des Weiteren
kann ein laminarer Teilstrom des ersten Fluidums in einen laminaren
Hüllstrom
des zweiten Fluidums eingebettet werden, was neue Analyse- und auch
Synthesemöglichkeiten
bietet. Ein weiterer Vorteil der variablen Eintauchtiefe ist, dass die
Mikrokanäle
wahlweise „von
oben" oder „von unten" befüllt werden
können,
beispielsweise um die Bildung von Gasblasen innerhalb einer Flüssigkeit
zu vermeiden.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird
die Zugangsöffnung
mit der elastischen Schicht zumindest beim Anordnen der Schicht
verschlossen. Bevorzugt ist die elastische Schicht dabei so ausgebildet,
dass sich die Pore, die beim Durchstoßen mit der Hohlnadel entsteht,
nach dem Zurückziehen
der Hohlnadel von selbst wieder schließt.
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Diese Ausgestaltung bietet ein vollständig abgeschlossenes
System beim Kontaktieren der Mikrofluidikstruktur. Alternativ hierzu
kann die elastische Schicht jedoch auch von vorneherein (Mikro-)Poren
besitzen, so dass die Zugangsöffnung
von der elastischen Schicht zwar bedeckt ist, jedoch nicht vollständig abgeschlossen
ist. Die vorliegende Ausgestaltung besitzt demgegenüber den
Vorteil, dass vor allem gasförmige
Fluide problemlos mit der Mikrofluidikstruktur verarbeitet werden
können.
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Zudem ist eine Kontamination des
oder der eingebrachten Fluide noch besser verhindert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist
die Schicht im Bereich der Zugangsöffnung mit einer Sollbruchstelle
versehen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine solche
Sollbruchstelle eine Ausnehmung in der elastischen Schicht, das heißt eine
Materialschwächung.
In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel beinhaltet die
elastische Schicht als Sollbruchstelle einen Materialfleck aus einem
besonders weichen Material, während
der Rest der Schicht aus einem weniger elastischen, das heißt härteren Material
besteht. Des Weiteren kann als „Sollbruchstelle" auch eine Mikropore
in der elastischen Schicht vorhanden sein, deren Durchmesser gleich
oder ggf. auch kleiner als der Außendurchmesser der Hohlnadel
ist.
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Die Maßnahme besitzt den Vorteil,
dass das Durchstoßen
der elastischen Schicht mit einer mikrofeinen Hohlnadel erleichtert
wird, wobei das Risiko einer Beschädigung der Schicht und/oder
der Hohlnadel reduziert ist. Zudem lässt sich durch diese Ausgestaltung
eine bessere Reproduzierbarkeit beim Kontaktieren erreichen.
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In einer weiteren Ausgestaltung besitzt
die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine Automatik zum Anordnen der Schicht aus elastischem Material
auf der Mikrofluidikstruktur.
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Die Automatik kann beispielsweise
eine auf einer Rolle aufgewickelte Bahn des elastischen Material
beinhalten, wobei ein Abschnitt der Materialbahn vor der eigentlichen
Kontaktierung auf der Mikrofluidikstruktur angebracht wird. In einem
anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die elastische Schicht als eine Art Hüllmantel ausgebildet, in den eine
Mikrofluidikstruktur vor der Kontaktierung eingelegt wird. Des Weiteren
kann die elastische Schicht auch in Form von vorbereiteten „Pads" in einem Vorrat
bereitgehalten werden, von dem aus die Automatik jeweils ein Pad
entnimmt und auf der Mikrofluidikstruktur ablegt.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht eine
sehr einfache und automatisierte Kontaktierung einer Vielzahl von
Mikrofluidikstrukturen nach dem hier zugrunde liegenden Prinzip.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist
die Schicht aus elastischem Material an einer der Mikrofluidikstruktur
zugewandten Seite vorspringende Wülste auf, die um die Zugangsöffnung herum
Dichtlippen ausbilden.
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Diese Ausgestaltung ist besonders
vorteilhaft, wenn die elastische Schicht nicht fest mit der Mikrofluidikstruktur
verbunden ist, beispielsweise also aufgeklebt wird, sondern eher
locker auf die Mikrofluidikstruktur gelegt wird. Insbesondere in
Kombination mit einem flächigen
Kulissenstück,
das die Schicht beim Kontaktieren gegen die Struktur presst, kann mit
den vorspringenden Wülsten
eine besonders gute Abdichtung erreicht werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird
die Mikrofluidikstruktur zum Anordnen der Schicht mit einer Hüllform aus
dem elastischen Material zumindest teilweise umgeben.
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Diese bereits weiter oben angedeutete
Ausgestaltung ermöglicht
ein besonders einfaches Anbringen der elastischen Schicht, und zwar
sowohl bei einer automatisierten als auch bei einer manuellen Handhabung.
Zudem besitzt eine Hüllform
den Vorteil, dass die elastische Schicht auch ohne Verkleben oder
andere Fixierungen nicht von der Mikrofluidikstruktur abrutschen
kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist
die zumindest eine Hohlnadel eine Penetrationsspitze auf.
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Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass die
Hohlnadel ein stumpfes Ende besitzt. Die Ausbildung einer Penetrationsspitze
erleichtert jedoch das Durchstoßen
der elastischen Schicht und ermöglicht somit
eine sicherere und zuverlässigere
Kontaktierung. Eine Hohlnadel ohne Penetrationsspitze ist demgegenüber vorteilhaft,
wenn die elastische Schicht bereits Mikroporen aufweist, die auch
ohne Penetrationsspitze durchstoßen werden können, da in
diesem Fall eine Beschädigung
der elastischen Schicht vermieden wird.
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Es versteht sich, dass die vorstehend
genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur
in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen
der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 bis 7 schematische Darstellungen
von Mikrofluidikstrukturen, die gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung mit einer elastischen Schicht versehen sind,
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8 und 9 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
zum Kontaktieren einer Mikrofluidikstruktur in einer vereinfachten
Darstellung,
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10 und 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel
zum Kontaktieren einer Mikrofluidikstruktur, und
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12 und 13 weitere Ausführungsbeispiele zum
Kontaktieren einer Mikrofluidikstruktur.
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
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Die Vorrichtung 10 dient
zum Kontaktieren einer Mikrofluidikstruktur 12, auf der
gemäß einem Aspekt
der vorliegenden Erfindung eine Schicht 14 aus elastischem
Material angeordnet ist. Die Mikrofluidikstruktur 12 ist
in an sich bekannter Weise hergestellt und besitzt eine Anzahl von
Mikrokanälen (hier
nicht dargestellt), in die ein Fluidum (hier ebenfalls nicht dargestellt)
eingefüllt
werden kann, um beispielsweise eine pharmazeutische Analyse durchzuführen. Die
geometrischen Abmes sungen und Eigenschaften der Mikrofluidikstruktur 12 entsprechen
denen von gattungsgemäßen Mikrofluidikstrukturen.
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Die Schicht 14 aus elastischem
Material ist vorzugsweise aus Silikon oder Polyimid hergestellt, sie
kann jedoch je nach Anwendungsfall auch aus Gummi sein. Möglichkeiten
zum Befestigen der elastischen Schicht 14 auf der Mikrofluidikstruktur 12 sind nachfolgend
anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
näher beschrieben.
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Die Mikrofluidikstruktur
12 ist
hier in einer Aufnahme
16 eingespannt, wie sie vergleichbar
aus der
DE 199 28
410 C2 bekannt ist. Oberhalb der Aufnahme
16 ist
eine Kontakteinheit
18 angeordnet, die sich relativ zu
der Aufnahme
16 in Richtung des Pfeils
20 bewegen
kann. Die Kontakteinheit
18 kann damit auf die Mikrofluidikstruktur
12 abgesenkt
werden, um die Mikrofluidikstruktur
12 zu kontaktieren.
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Die Kontakteinheit 18 besitzt
im hier dargestellten Ausführungsbeispiel
drei Hohlnadeln 22, 24, 26, die jeweils
mit einem eigenen Antrieb 28 verbunden sind. Über den
Antrieb 28 kann jede der Hohlnadeln 22, 24, 26 relativ
zu der Kontakteinheit 18 und in Richtung eines Pfeils 30 bewegt
werden. Dabei sind die Hohlnadeln 22, 24, 26 hier
in einem Kulissenstück 32 geführt, welches
für jede
einzelne Hohlnadel 22, 24, 26 einen entsprechenden
Führungskanal 34 besitzt.
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Die Hohlnadeln besitzen jeweils einen
Außendurchmesser
im Bereich von 200 μm.
Die Innendurchmesser liegen bei etwa 100 μm. Die Abstände der Hohlnadeln zueinander
liegen zwischen 500 und 2000 μm.
Die Durchmesser der einzelnen Hohlnadeln 22, 24, 26 können auch
verschieden voneinander sein. Bevorzugt sind Hohlnadeln zum Einführen eines
Fluidums dünner
und Hohlnadeln zum Entnehmen eines Fluidums dicker (größerer Duchmesser).
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Mit der Bezugsziffer 36 ist
eine Positioniereinheit bezeichnet, die über elektrische Steuerleitungen
mit den Antrieben 28 für
die Hohlnadeln 22, 24, 26 verbunden ist.
Mit Hilfe der Positioniereinheit 36 kann jede einzelne
Hohlnadel 22, 24, 26 getrennt von den
anderen in Richtung des Pfeils 30 abgesenkt werden. Wenn
die Kontakteinheit 18 auf die Mikrofluidikstruktur 12 abgesenkt
ist, tauchen die Hohlnadeln 22, 24, 26 damit
individuell in entsprechende Zugangsöffnungen bzw. direkt in Mikrokanäle der Mikrofluidikstruktur 12 ein.
Wie nachfolgend näher
erläutert,
durchstoßen
die Hohlnadeln 22, 24, 26 dabei die elastische
Schicht 14.
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Mit den Bezugsziffern 38, 40, 42 sind
drei Reservoirs bezeichnet, in denen jeweils ein Fluidum (eine Flüssigkeit
oder ein Gas) enthalten ist, welches in die Mikrofluidikstruktur 12 eingebracht
werden soll. Die Reservoirs 38, 40, 42 sind über jeweils
einen Fluidkanal 44, 46, 48 mit jeweils
einer Hohlnadel 22, 24, 26 verbunden.
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Es versteht sich, dass die gezeigte
Darstellung mit drei Hohlnadeln 22, 24, 26,
drei Reservoirs 38, 40, 42 und drei Fluidkanälen 44, 46, 48 beispielhaft
gewählt
ist. Je nach Anwendungsfall können auch
mehrere Hohlnadeln 22, 24, 26 mit einem
gemeinsamen Reservoir über
einen gemeinsamen Fluidkanal verbunden sein. Des Weiteren können die Reservoirs 38, 40, 42 auch
zur Entnahme von Fluiden aus der Mikrofluidikstruktur 12 dienen,
indem eine entsprechende Pumpe zum Ansaugen des Fluidums vorge sehen
wird (hier nicht dargestellt). Darüber hinaus kann abweichend
von der hier gewählten Darstellung
mit drei Hohlnadeln 22, 24, 26 und der entsprechenden
Anzahl an Fluidkanälen 44, 46, 48 und
Reservoirs 38, 40, 42 auch eine beliebige
andere Anzahl verwendet sein. In einem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind sieben Hohlnadeln 22, 24, 26 vorgesehen,
die einzeln oder in Gruppen zum Kontaktieren einer Mikrofluidikstruktur 12 angesteuert
werden.
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Bei der Positioniereinheit 36 handelt
es sich um eine Steuerschaltung, die bevorzugt prozessorbasiert
ist. Die Positioniereinheit 36 erhält über geeignete Positionssensoren
(hier nicht dargestellt), beispielsweise optoelektronische Wegaufnehmer,
eine Positionsinformation der Hohlnadeln 22, 24, 26 und berechnet
daraus die Steuerinformationen zum Ansteuern der Antriebe 28.
Entsprechende Steuer- und Regelkreise sind im Stand der Technik
für sich
genommen bekannt.
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Mit der Bezugsziffer 50 ist
hier eine Automatik bezeichnet, mit der die Schicht 14 aus
elastischem Material auf die Mikrofluidikstruktur 12 aufgebracht werden
kann. Dabei beinhaltet die Automatik 50 hier eine Rolle 52,
auf der ein Vorrat des elastischen Materials aufgewickelt ist. Beispielsweise
handelt es sich hier um eine Rolle 52 mit einer Polyamidfolie.
Mit der Bezugsziffer 54 ist eine Greifereinheit bezeichnet,
die an einer Führungsschiene 56 in
Richtung des Pfeils 58 bewegbar ist. Die Greifereinheit 54 kann
ein Stück
des elastischen Materials von der Rolle 52 abziehen und über der
Mikrofluidikstruktur 12 ablegen. Anschließend wird
die Schicht 14 von der Rolle 52 abgetrennt.
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In weiteren, hier nicht dargestellten
Varianten beinhaltet die Automatik beispielsweise einen Vorrat an
bereits vorkonfektionierten Schichten 14, die mit Hilfe
der Greifereinheit 54 auf der Mikrofluidikstruktur 12 abgelegt
werden. Alternativ hierzu ist es in anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen
vorgesehen, die Mikrofluidikstruktur 12 bereits bei der
Herstellung mit der Schicht 14 zu versehen, so dass die
hier gezeigte Automatik 50 innerhalb der Vorrichtung 10 entfallen
kann. In noch weiteren Ausführungsbeispielen ist
vorgesehen, die Mikrofluidikstruktur 12 von Hand mit der
Schicht 14 zu versehen, bevor die Mikrofluidikstruktur 12 in
die Aufnahme 16 der Vorrichtung 10 eingelegt wird.
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2 zeigt
eine vereinfachte Querschnittsansicht der Mikrofluidikstruktur 12,
auf der die Schicht 14 angeordnet ist. Der guten Ordnung
halber sei darauf hingewiesen, dass die Darstellung nicht maßstabsgerecht
ist und der Einfachheit halber auch keine Mehrzahl von Mikrokanälen zeigt.
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Die Mikrofluidikstruktur 12 besteht
aus einem Substrat 62 aus Glas oder Silizium. In dem Substrat 62 verläuft ein
Mikrokanal 64, der beispielsweise durch einen Ätzprozess
an der Oberseite des Substrats 62 ausgebildet ist. Der
Mikrokanal 64 ist an seiner offenen Oberseite mit der elastischen
Schicht 14 bedeckt, die in einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung
an dem Substrat 62 befestigt ist, beispielsweise durch
Kleben. In anderen Ausführungsbeispielen
der Erfindung ist die Schicht 14 auf das Substrat 62 nur
aufgelegt und bedeckt den Mikrokanal 64 damit „locker".
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In 3 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Mikrofluidikstruktur gezeigt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei
dieselben Elemente wie zuvor. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 besitzt die elastische
Schicht, hier mit Bezugsziffer 66 bezeichnet, allerdings
mehrere Vertiefungen 68, die ein Eintauchen der Hohlnadeln
in den Mikrokanal 64 erleichtern. Die Vertiefungen 68 bilden aufgrund
der reduzierten Materialstärke
nämlich
Sollbruchstellen, an denen eine Hohlnadel die Schicht 66 leichter
durchstoßen
kann.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist eine Mikrofluidikstruktur
mit der Bezugsziffer 70 bezeichnet. Die Mikrofluidikstruktur 70 besitzt
wiederum einen oder mehrere Mikrokanäle 64. Im Unterschied
zu den 2 und 3 verläuft der Mikrokanal 64 hier
allerdings innerhalb des Substrats 62, das heißt er ist
durch das Substrat 62 nach oben hin geschlossen. Zum Kontaktieren
des oder der Mikrokanäle 64 sind
Zugangsöffnungen 72 vorhanden.
Die elastische Schicht, hier mit der Bezugsziffer 74 bezeichnet,
besitzt im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
Mikroporen 76, die ein besonders leichtes Eintauchen einer
Hohlnadel ermöglichen.
Die Abmessungen der Mikroporen 76 sind so gewählt, dass
die Mikropore 76 durch das Eintauchen der Hohlnadel verschlossen
wird. Mit anderen Worten entspricht der lichte Innendurchmesser
der Mikropore 76 vorzugsweise dem Außendurchmesser der verwendeten
Hohlnadel, was nachfolgend anhand weiterer Ausführungsbeispiele dargestellt
ist. In einem weiteren Ausführungsbeispiel
sind die Mikroporen 76 schlitzförmige Öffnungen, die sich nur beim Durchstoßen mit
einer Hohlnadel öffnen
und nach Entnahme der Nadel wieder verschließen.
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In 5 ist
ein Ausführungsbeispiel
gezeigt, bei dem die Mikrofluidikstruktur 70 mit einer
Schicht 78 weitgehend eingehüllt ist. Dieses Ausführungsbeispiel
ist bevorzugt, wenn die elastische Schicht 78 von Hand
auf der Mikrofluidikstruktur 70 angeordnet werden soll.
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In 6 ist
ein Ausführungsbeispiel
dargestellt, bei dem eine Schicht 80 die Mikrofluidikstruktur 70 vollständig umgibt.
Zusätzlich
ist die Schicht 80 hier wiederum mit Vertiefungen 68 versehen,
um die vielfältigen
Kombinationsmöglichkeiten
der hier dargestellten Elemente zu verdeutlichen.
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In 7 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt,
bei dem die Mikrofluidikstruktur 70 vollständig mit
einer Schicht 82 umhüllt
ist. In diesem Ausführungsbeispiel
beinhaltet die Schicht 82 Materialstellen 84,
die aus einem weicheren Material bestehen als der Rest der Schicht 82.
Anders ausgedrückt
besteht die Schicht 82 hiernach aus einem ersten Material,
welches die Mikrofluidikstruktur 70 weitgehend bedeckt,
sowie Materialstellen 84 aus einem zweiten Material, das
weicher ist als das erste Material. Die Materialstellen 94 bilden
Sollbruchstellen aus, die ein Durchstoßen der Schicht 82 mit
einer Hohlnadel erleichtern.
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In den 8 und 9 ist vereinfacht dargestellt, wie
zwei Hohlnadeln 88, 90 zum Kontaktieren der Mikrofluidikstruktur 12 in
den Mikrokanal 64 eintauchen. Die Hohlnadeln 88, 90 besitzen
in diesem Ausführungsbeispiel
jeweils eine Penetrationsspitze 92, um das Durchstoßen der
hier homogenen Schicht 14 zu erleichtern.
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Wie bei der Erläuterung der Vorrichtung 10 in 1 bereits angesprochen,
werden die Hohlnadeln 88, 90 hier in Führungskanälen 34 eines
Kulissenstücks 32 geführt, was
eine präzise
und stabile Kontaktierung ermöglicht
und zudem das Risiko von Beschädigungen
reduziert. Darüber
hinaus wird die Schicht 14 durch das flächig ausgebildete Kulissenstück 32 beim
Kontaktieren gleichmäßig gegen
die Mikrofluidikstruktur 70 gedrückt, was eine gute Abdichtung
bewirkt. Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die Führungskanäle 34 hier
an ihren Innenseiten mit einem Gleitmaterial ausgekleidet, beispielsweise
mit einer Teflon-Beschichtung.
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Das hier in den 8 und 9 dargestellte
Ausführungsbeispiel
zeigt einen besonders bevorzugten Anwendungsfall, bei dem ein erstes
Fluidum 94 als Teilstrom in einen laminaren Hüllstrom
eines zweiten Fluidums 96 eingebracht wird. Um die relative
Höhe des
ersten Fluidums 94 innerhalb des umgebenden zweiten Fluidums 96 zu
bestimmen, werden die Hohlnadeln 88, 90 hier unterschiedlich
tief in den Mikrokanal 64 eingetaucht.
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Um in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
besonders kontrollierte Verhältnisse
bezüglich
der beiden Fluide 94, 96 zu erhalten, sind die Hohlnadeln 88, 90 vor
dem Eintauchen in die Mikrofluidikstruktur 12 bis zu ihrer
Austrittsöffnung,
in diesem Fall also der Penetrationsspitze 92, mit den
entsprechenden Fluiden gefüllt.
Des Weiteren wird das zweite Fluidum 96 hier zuerst in
den Mikrokanal 64 eingebracht, und zwar so, dass es diesen
vollständig ausfüllt. Über an sich
bekannte Mechanismen wird das zweite Fluidum 96 dann innerhalb
des Mikrokanals 64 in einen laminaren Strom versetzt, in
den dann das erste Fluidum 94 in definierter Höhe eingebracht
wird. Der laminare Strom kann beispielsweise über eine entsprechende Druckverteilung
innerhalb des Mikrokanals 64 erzeugt werden. Wenn die Fluide 94, 96 Ionen
enthalten, können
zudem auch elektrische Felder zur Steuerung der Strömung verwendet werden.
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In den 10 und 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel
dargestellt. Die Struktur 12 ist hier mit der elastischen
Schicht 74 bedeckt, die Mikroporen 76 oberhalb
der Zugangsöffnungen 72 aufweist.
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Wie in 11 gezeigt
ist, ist der Außendurchmesser
der Hohlnadeln 22, 24, 26 so gewählt, dass
er dem lichten Innendurchmesser der Mikroporen 76 entspricht.
Bei eingetauchten Hohlnadeln 22, 24, 26 entsteht
somit ein dichter Abschluss der Mikrokanäle. Aufgrund der vorhandenen
Mikroporen 76 können
die Hohlnadeln 22, 24, 26 hier ein stumpfes Ende
aufweisen.
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In 11 ist
nochmals die variable Eintauchtiefe der einzeln ansteuerbaren Hohlnadeln 22, 24, 26 mit
Hilfe von Pfeilen 98, 100, 102 dargestellt.
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Die 12 und 13 zeigen weitere Ausführungsbeispiele
zum Kontaktieren der Mikrofluidikstruktur 12. Die Struktur 12 ist
hier mit einer Schicht 104 abgedeckt, die im Vergleich
zu den bislang gezeigten Schichten relativ dick ist. Um die Penetration der
Hohlnadeln 22, 24, 26 zu erleichtern,
sind auf der der Mikrofluidikstruktur 12 zugewandten Seite
der Schicht 104 Ausnehmungen 106 ausgebildet (hier mit
unterschiedlicher Formgebung dargestellt), die jeweils oberhalb
der Zugangsöffnungen 72 zu
Liegen kommen. Aufgrund der Ausnehmungen 106 besitzt die
Schicht 104 wiederum Sollbruchstellen im Bereich der Zugangs öffnungen 72.
Zur Verdeutlichung der vielfältigen
Kombinationsmöglichkeiten
der hier vorgestellten Ausführungsbeispiele
ist die Schicht 104 hier ferner noch beispielhaft mit einer
Materialstelle 84 gezeigt, die gegenüber dem Restmaterial der Schicht 104 weicher
ist. Es versteht sich, dass die hier gezeigte Ausbildung der Schicht 104 verschiedene
Varianten in einer Darstellung zeigt.
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Ein weiteres Merkmal der Schicht 104 sind hier
Wülste 108,
die auf der der Mikrofluidikstruktur 12 zugewandten (unteren)
Seite angeordnet sind. Beim Aufpressen der Schicht 104 mit
Hilfe des Kulissenstücks 32 bilden
die Wülste 108 Dichtringe
um die Zugangsöffnungen 72 aus.
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Die Hohlnadeln für die Penetration der Schichten
sind in einfachen Ausführungsbeispielen aus
Metall hergestellt. Bevorzugt ist die Oberfläche der Hohlnadeln dann jedoch
mit einer nicht leitenden Schicht überzogen, beispielsweise eloxiertem
Aluminium oder Teflon. Eine derartige Ausbildung hat zusätzlich den
Vorteil, dass sich beim Kontakt mit den Fluiden keine Metallionen
von den Hohlnadeln lösen können.
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In alternativen Ausführungsbeispielen
sind die Hohlnadeln aus nicht leitendem Material hergestellt, beispielsweise
Keramik, Hart-Kunststoff oder Glas.
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Durch die hier gezeigte Art der Kontaktierung kann
das Totvolumen in den Zugangsleitungen sehr klein gehalten werden,
was es vor allem ermöglicht, geringste
Mengen einer Stoffprobe zu verarbeiten.