DE10345028B4

DE10345028B4 - Vorrichtung zum Halten und Verbinden von mikrofluidischen Systemen

Info

Publication number: DE10345028B4
Application number: DE2003145028
Authority: DE
Inventors: Oliver Dr. Rötting; Holger Dr. Becker; Birgit Anton
Original assignee: MICROFLUIDIC CHIPSHOP GmbH
Current assignee: MICROFLUIDIC CHIPSHOP GmbH
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2009-09-10
Anticipated expiration: 2023-09-26
Also published as: DE10345028A1

Abstract

Vorrichtung zum Halten und untereinander Verbinden von plattenförmigen mikrofluidischen Systemen mittels eines Rahmens, der Verbindungen und Dichtungen enthält und dadurch gekennzeichnet ist, dass der Rahmen aus beliebigem Material Kanäle enthält, in die Substanzen hinein gegeben werden können oder vorhandene Substanzen transportiert werden oder fließen können, und die plattenförmige Systeme mittels einer Schnappverbindung oder alternativ durch integrierte Saugnäpfe darin einrasten und gehalten werden können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Haltevorrichtung für plattenförmige Systeme, in denen sich vorzugsweise flüssige Proben befinden aber auch feste und gasförmige Substanzen zum Einsatz kommen können. Die Vorrichtung ermöglicht nicht nur ein unproblematisches Handling und eine einfache Lagerung, sondern vor allem auch eine direkte fluidische und ggf. elektrische Verbindung mehrerer derartiger Systeme untereinander und zu externen Systemen. Zudem erlaubt die Haltevorrichtung eine thermische Kontaktierung und optische Zugänglichkeit z. B. bei Einlegung der Haltevorrichtung in ein externes Betriebsgerät wie z. B. einen Thermocycler oder Fluoreszenzreader. Besonderes Kennzeichen der Erfindung ist der einfache Aufbau aus nur zwei Teilen; eine Verbindung mikrofluidischer Chips durch Schlauchverbindungen sowie die umständliche Integration von Dichtungsringen entfallen.
Stand der Technik
In der Laboranalytik ist die Verwendung von Trägern für Objekte oder Proben seit langem bekannt. Besonders verbreitet sind Objektträger aus Glas für die Mikroskopie von z. B. biologischen Proben. Diese Objektträger haben i. d. R. ein feststehendes standardisiertes Maß.
Bekannt sind gleichfalls plattenförmige mikrofluidische Systeme vielfältigster Bauart. Ihr gemeinsames Kennzeichen ist das Vorhandensein von Kanalstrukturen und Reservoirs mit zumeist mikroskopischen Dimensionen. Substanzen, vorzugsweise Flüssigkeiten, meist aus dem Bereich der Life-Sciences, fließen in diesen Systemen oder sind bereits in Reservoirs vorgelegt und können in diesen Systemen reagieren, analysiert und/oder transportiert werden oder einfach nur gelagert werden.
Ebenfalls aus dem Laboralltag bekannt sind die so genannten Titerplatten. Sie bieten eine große Anzahl von Vertiefungen („Wells”), in die Proben hinein pipettiert werden können. Der Vorteil der Titerplatten ist ihre standardisierte Größe. Die Wells befinden sich in einem feststehenden Raster (Vielfache bzw. Teile von 4,5 mm). Auch die Außenmaße der Titerplatten stehen weitgehend fest. Die Maße hierfür sind als „SBS-Standard” allgemein bekannt, im Internet unter www.sbsonline.com/disgrps/platestd/details.htm zu finden. Diese Standardisierung erlaubt ein automatisiertes Handling und ein automatisiertes Pipettieren, wodurch in sehr kurzer Zeit eine große Zahl unterschiedlicher Proben behandelt werden kann. Hierfür ist eine große Zahl technischer Komponenten kommerziell verfügbar.
Aus DE 202 12 722 U1 ist eine derartige Haltevorrichtung bekannt, die in der Lage ist, einen oder mehrere mikrofluidische Chips aufzunehmen. Diese Erfindung macht jedoch keine Vorschläge zur fluidischen Kontaktierung der Chips. Im Gegensatz zur DE 202 12 722 U1 handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um eine fluidische Plattform, die einen Fluidtransport sowohl über die eingelegten fluidischen Bauteile als auch über den diese haltenden Rahmen erlaubt. Bei der DE 202 12 722 U1 handelt es sich um einen Rahmen im Titerplattenformat, der ausschließlich der Halterung der eingelegten Platten dient. Ein Fluidhandling mit diesem Rahmen ist nicht möglich.
Aus WO 03/0600 A2 ist ebenfalls bekannt, dass mehrere mikrofluidische Systeme durch eine Rahmenkonstruktion gehalten werden. Für die Kontaktierung der Chips werden hier Schläuche genutzt.
In US 005580523 A werden mehrere mikrofluidische Chips untereinander durch einen Rahmen verbunden, wobei Dichtungsringe zum Einsatz kommen. Dieses ist mit einem entsprechenden Aufwand an Montagetätigkeit verbunden.
Dichtungsringe kommen ebenfalls in US 006388895 B1 zum Einsatz, außerdem wird hier auf die Möglichkeit zur elektrischen Kontaktierung des Fluidiksystems eingegangen.
Das Patent US 005972187 A fasst mehrere Chips in einem Rahmen zusammen und schlägt für die fluidische Verbindung vor, dass die Chips pipettenartige Verbindungen haben.
In US 2003/0111599 werden Chips ebenfalls durch eine Rahmenkonstruktion gehalten. Bei dieser Erfindung werden die Chips aber nicht untereinander verbunden.
In WO 01/70400 A1 werden Stapel von Arrays mit Mikrokanälen durch einen vertikal angebrachten Rahmen zusammengehalten, wodurch ein Array von feinen Öffnungen der Mikrokanäle entsteht. Die vertikale Anordnung unterscheidet sich jedoch von den anderen Erfindungen, die in diesem Zusammenhang erwähnt sind. Eine Verbindung der Arrays untereinander wird dadurch nicht hergestellt. Damit beschreibt die WO 01/70400 A1 das Stapeln von einzelnen mikrofluidischen Chips und keine Handhabungsplattform, in die unterschiedliche fluidische Elemente gesetzt werden können und über die Plattform mit einander verbunden werden können.
Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der WO 03/060056 A2 um die Ansammlung mehrerer Mikrofluidikchips auf einer Platte, die keine weitere Funktionalität als das Halten der Mikrofluidikchips ermöglicht. Die Fluidverbindung erfolgt direkt von Chip zu Chip mittels Schläuchen, was ein großes Problem in Bezug auf die damit verbundene schwierige Handhabbarkeit und der Gefahr des Herauslaufens von Flüssigkeiten darstellt, was durch die vorliegende Patentanmeldung gelöst wird.
Die 5,972,187 beschreibt einen Mikrofluidikchip der eine Befüllung des Kanalsystems mittels elektrophoretischer Kräfte erlaubt. Als Fluidverbindung dient eine Kapillare, die Bestandteil des Chips ist. Verschiedene Chips haben keinerlei Verbindung untereinander. Die in der 5,972,187 dargestellt Vorrichtung beschreibt nur eine Halterung der einzelnen Chip, die der Handhabung und Automatisierung dient. Eine fluidische Funktionalität der Halterung ist nicht gegeben.
Die US 2003/0111599 A1 beschreibt wiederum nur einen Rahmen, der kleiner Einheiten aufnimmt, aber keine fluidische Funktionalität zum gezielten Verbinden der Einheiten untereinander ermöglicht wie in der vorliegenden Erfindung.
Die 5,580,523 beschreibt einen Aufbau mit der komplexen Montage von einzelnen Mikrofluidikchips auf einer Grundplatte. Die in der vorliegenden Schrift beschriebene Handhabungsplattform überwindet gerade die mit denen in dieser Patentschrift geschilderten Aufbauten verbundenen Handhabungsprobleme.
Die US 6,488,895 B1 beschreibt eine Handhabungsplattform, in die einfach Fluidikchips eingelegt werden können und mittels Schnappverbindern oder Saugnäpfen gehaltert werden können. D. h. diese Plattform ist ohne weitere Montageschritte nutzbar und es können flexibel Komponenten eingelegt werden. Diese Eigenschaft besitzt die in der Patentschrift beschriebene Plattform nicht. Hierbei handelt es sich um eine letztendlich fest verbundene Einheit bestehend aus einer größeren Platte mit einigen kleinen Platten. Somit ist auch hier ein signifikanter Unterschied zu der vorliegenden Erfindung gegeben.
Aufgabenstellung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Vorstellung einer Halteplatte, welche eine Möglichkeit der direkten Verbindung mikrofluidischer Chips untereinander schafft und trotz eines besonders einfachen Aufbaus die Nachteile der anderen genannten Erfindungen vermeidet, insbesondere den Montageaufwand. Wegen der erwähnten Vorteile standardisierter Teile kommen bevorzugt Chips mit Anschlüssen im Raster einer Titerplatte und Außenmaßen eines Objektträgers zum Einsatz. Die Chips lassen sich erheblich einfacher mit Flüssigkeiten befüllen, wenn die Haltevorrichtung auch in ihren Außenmaßen einer Titerplatte entspricht. Auch die Lagerung wird erleichtert, da die Haltevorrichtung entsprechend den Titerplatten stapelbar ist.
Die erfinderische Höhe der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass sie zusätzlich eine direkte Verbindung mehrerer fluidischer Systeme erlaubt, ohne zusätzliche Arbeitsschritte zu erfordern (Montage kleiner Schlauchverbindungen oder ähnlichem). Dies beinhaltet insbesondere Verbindungen zwischen den plattenförmigen Systemen auf dem Halterahmen, zwischen den plattenförmigen Systemen und dem Halterahmen, Verbindungen zu externen Systemen sowohl über den Halterahmen als auch über die plattenförmigen Systeme selbst. Dabei können zusätzlich unterschiedliche fluidische Anschlüsse zum Einsatz kommen. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, auch elektrische Anschlüsse an die Fluidsysteme zu bringen und weitere elektrische, optische und thermische Funktionen zu integrieren.
Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass ein Halterahmen aus einem bevorzugt weichen Material vorzugsweise einem Kautschuk hergestellt wird, in den die Chips mittels einer Schnappverbindung eingedrückt werden. Dieser Rahmen enthält Öffnungen, in die Flüssigkeiten hinein pipettiert werden können. Durch Kanäle im Kautschuk wird die Substanz, vorzugsweise Flüssigkeit, zu den plattenförmigen Systemen geleitet und tritt in diese ein. Abgedichtet wird der Übergang vom Rahmen zum Fluidsystem durch einen Dichtring, vorzugsweise aus Kautschuk, der vorzugsweise unmittelbarer Bestandteil des Rahmens ist. Die durch die Schnappverbindung erzeugte Kraft drückt das Fluidsystem auf den Dichtring. Alternativ wird eine Halterung der plattenförmigen Systeme auf dem Halterahmen durch ein Vakuum erreicht, das durch in den Halterahmen integrierte Saugnäpfe durch ein externes Andrücken der Platten erzeugt wird.
Die Kanäle innerhalb des Rahmens dienen nicht nur zum Befüllen der Systeme sondern auch zu deren Verbindung untereinander.
Zur Erhöhung der Stabilität kann der bevorzugt weiche aus vorzugsweise Kautschuk bestehende Rahmen in einen harten Rahmen aus beliebigem Material (Kunststoff, Metall, Glas...) eingelegt werden. Dieser äußere Rahmen ist es, der die äußere Geometrie der Vorrichtung an die Maße einer Titerplatte anpasst. Herstellungsbedingt wird es i. d. R. erforderlich sein, die Kanalsysteme des Rahmens aus zwei Teilen zusammenzusetzen. Hierbei kann es vorteilhaft sein, gleich den harten Rahmen als zweites Teil zu verwenden.
Die gesamte Rahmenkonstruktion kann auch senkrechte Kanäle aufweisen. Werden dann mehrere der Einheiten gestapelt, entstehen komplette dreidimensionale Fluidsysteme.
Die Anpassung der inneren Geometrie an den SBS-Standard ist zumeist vorteilhaft, aber nicht zwingend erforderlich. Je nach Anwendung lassen sich auch ganz andere Geometrien vorstellen und Fluidikchips nach Bedarf fast beliebig nach dem vorgestellten Prinzip verbinden.
Es besteht oft die Erfordernis, Fluidsysteme auch elektrisch zu kontaktieren. Hier lassen sich entsprechende Verbindungen nach außen bei der Herstellung der Haltevorrichtung problemlos integrieren. Hierbei können Kabel, Nadeln, Kanülen, sowie in Dünnschichttechnik oder galvanisch hergestellte Schichten verwendet werden. Nadeln und Kanülen können auch nachträglich an beliebiger Stelle in das vorzugsweise aus Kautschuk bestehende System eingestochen werden.
Weiterhin erlaubt der Halterahmen sowohl thermische, z. B. für Heizzwecke, als auch optische Zugänglichkeit der einzulegenden plattenförmigen Systeme. So lässt sich z. B. mittels eines externen Betriebsgeräts wie z. B. eines Fluoreszenzreaders eine Detektion auf den plattenförmigen Systemen erreichen oder auch eine PCR in einem Thermocycler durchführen.

Claims

Vorrichtung zum Halten und untereinander Verbinden von plattenförmigen mikrofluidischen Systemen mittels eines Rahmens, der Verbindungen und Dichtungen enthält und dadurch gekennzeichnet ist, dass der Rahmen aus beliebigem Material Kanäle enthält, in die Substanzen hinein gegeben werden können oder vorhandene Substanzen transportiert werden oder fließen können, und die plattenförmige Systeme mittels einer Schnappverbindung oder alternativ durch integrierte Saugnäpfe darin einrasten und gehalten werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Abmessungen des Rahemens dem SBS-Standard für Titerplatten entsprechen und an Handlingroboter oder Stacker angepasst sind.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Abmessungen des Rahmens sowohl dem SBS-Standard für Titerplatten wie auch dem Standardformat für Objektträger entsprechen und an Pipettierroboter und Analysegeräte angepasst sind.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich senkrechte Kanäle in der Vorrichtung vorgesehen sind, um durch Aufeinanderstapeln mehrerer Teile ein dreidimensionales Kanalsystem zu schaffen und bei Bedarf zusätzliche Dichtungen an den Einfüllöffnungen angebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen unmittelbarer Bestandteil des Rahmens sind.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der Stabilität des Rahmens dieser in einem zweiten Rahmen steckt, der aus einem harten Material gefertigt ist und die Außenabmaße der Vorrichtung bestimmt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der Stabilität des Rahmens der untere Teil aus einem harten Werkstoff gefertigt ist und nur der obere Teil aus flexiblem Material besteht, wobei die Kanalsysteme des Rahmens teilweise vom Oberteil und teilweise vom Unterteil gebildet werden.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Anschluss elektrischer Kontakte Kabeln, Nadeln oder Kanülen an beliebiger Stelle eingebracht sind bzw. im Falle von Nadeln und Kanülen das System aus flexiblem Material besteht, um sie nachträglich einstechen zu können.