-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf mikrofluidische
Labortechnologie für
chemische, physikalische und/oder biologische Analysen, Separationen
oder Synthesen von Substanzen auf einem Substrat mit einer mikrofluidischen
Struktur. Sie bezieht sich insbesondere auf mikrofluidische Anordnungen
mit mikrofluidischen Kopplungsgeräten, die zur Steuerung des
Flusses einer Flüssigkeit angepasst
sind und insbesondere auf Komponententeile für diese Anordnung. Ferner bezieht
sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Steuern von mikrofluidischen
Prozessen.
-
Es
besteht eine wachsende Nachfrage nach biologischen Fluidprozessierungssystemen,
die einen Bedarf an kleinen fluidischen Kopplungsgeräten erzeugt
haben. Derartige miniaturisierte mikrofluidische Geräte müssen verschiedene
Anforderungen erfüllen,
wie zum Beispiel geringes Totvolumen und kurze Flusspfade mit einem
Querschnitt so konstant wie möglich.
Dies führt
grundsätzlich
zu einer verbesserten Leistungscharakteristik. Ein Ansatz in diesem Gebiet – verglichen
zum Beispiel mit der Verwendung von Ventilen mit gefädelten Anschlüssen – ist die
Verwendung von mikrofluidischen Chips, die an sich drehende Ventilelemente
gekoppelt sind, zur Flusssteuerung des innerhalb des Chips ausgeführten mikrofluidischen
Prozesses. Lösungen
werden zum Beispiel in der US 2003/0015682 A1 oder in der Europäischen Patentanmeldung
Nr. 04102250.0 offenbart.
-
Durch
die enorme Anzahl von zu handhabenden Proben und mikrofluidischen
Prozessen ergeben sich Bestrebungen in diesem Gebiet die Prozesse
in mikrofluidischen Geräten
zu integrieren. Diese Ansätze
haben zu hoch integrierten mikrofluidischen System und komplexen
auszuführenden Prozessen
geführt
und entsprechend zu verstärkten Ausgaben
beim Steuern. Insbesondere ist das Koppeln und Fluss-Steuern eine
bedeutende Angelegenheit der letzten Entwicklungen in dem technischen Gebiet
der mikrofluidischen Geräte,
wie dies zum Beispiel in der europäischen Patentanmeldung Nr. 03104413.4
gezeigt wird. Das Erhöhen
der Komplexität
der ausgeführten
Prozesse und die Miniaturisierung von mikrofluidischen Geräten führt im Allgemeinen
nachteilhafterweise zu höheren
Ausgaben für mikrofluidischen
Verbindungen, d.h. um diese auszuführen, zu schalten und/oder
Fluss zu steuern.
-
OFFENBARUNG
-
Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindungen ein verbessertes Steuern,
insbesondere Fluss-steuern, und/oder Koppeln von mikrofluidischen
Geräten zu
erreichen. Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen
werden in den abhängigen
Ansprüchen
dargelegt.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindungen wird die Aufgabe gelöst
durch einen Ventilschieber für
ein mikrofluidisches Kopplungsgerät. Der Schieber weist eine
flache Folie auf und ist dazu angepasst, den Fluss innerhalb zumindest
eines Flusspfades des mikrofluidischen Kopplungsgerätes zu steuern.
Vorteilhafterweise kann der Fluss innerhalb des Flusspfades durch
Bewegen des Schiebers Fluss-gesteuert werden. Deshalb weist der
Schieber zumindest ein mikrofluidisches Steuerelement auf. Ausführungsformen
können
eines oder mehreres des Folgenden aufweisen. Der Schieber kann geradlinig
bewegt oder relativ zu dem mikrofluidischen Kopplungsgerät gedreht
werden. Zur Flusssteuerung kann der Flusspfad an zumindest einer
Vertiefung, Schlitz, Aussparung, Fase, Loch und/oder Stufe des Steuerelements gekoppelt
werden. Der Flusspfad kann durch Bewegen des Schiebers von der Vertiefung,
Schlitz, Aussparung, Fase, Loch und/oder Stufe gekoppelt oder separiert
werden. Vorteilhafterweise werden die Vertiefung, Schlitz, Aussparung,
Fase, Loch und/oder Stufe zum Erzeugen eines Flussreglers verjüngt oder zugespitzt.
Bevorzugt weist die flache Folie des Ventilschiebers zumindest zwei
Lagen auf, zum Beispiel eine Mittellage und zwei Decklagen. Die
Mittellage kann dazu angepasst sein, die Folie zu stabilisieren.
-
Die
Erfindung bezieht sich ferner auf ein mikrofluidisches Kopplungsgerät mit zumindest
einem Anschluss, zumindest einem an den Anschluss gekoppelten mikrofluidischen
Flusspfad und zumindest einem Steuerungsgerät, zum Beispiel ein Ventilschieber
wie oben beschrieben. Der Ventilschieber ist dazu angepasst den
Fluss innerhalb des Flusspfades zu kontrollieren. Vorteilhafterweise
ist der Ventilschieber innerhalb des Chips integriert. Ausführungsformen
können
eines oder mehreres des Folgenden aufweisen. Der Ventilschieber
stellt ein Ventil innerhalb des Gerätes dar. Vorteilhafterweise
werden keine zusätzlichen
externen Ventilkomponententeile zur Flusssteuerung des Flusses innerhalb
des Flusspfades benötigt.
Das Steuerungsgerät
ist zwischen einer oberen Schicht und einer unteren Schicht des
Chips integriert. Die Schichten werden durch eine Separationsschicht
der selben Dicke wie das Steuergerät separiert. Die Dicke der
oberen und unteren Schicht des Chips können variieren. Die Separationsschicht weist
einen Ausschnitt zur Aufnahme des Ventilschiebers auf. Vorteilhafterweise
wird der Ventilschieber unterstützt,
um an den Oberflächen
der oberen Schicht und der unteren Schicht geschoben oder gedreht
zu werden. Die obere und die untere Schicht zusammen mit dem Ausschnitt
aus der Separationsschicht bilden eine flache und rechtwinklige
Aussparung zur Aufnahme des Ventilschiebers und um diesen geradlinig
schiebbar zu lagern. Der Flusspfad kann an einen zweiten Flusspfad
oder an den Anschluss des mikrofluidischen Kopplungsgerätes über das
Kontrollelement gekoppelt sein. Vorteilhafterweise kann ein Fluss
zwischen den zwei Anschlüssen gesteuert
werden. Die Anschlüsse
können
an beliebige andere mikrofluidische Geräte gekoppelt werden. Die mikrofluidischen
Geräte
können
mit dem Kopplungsgerät
gekoppelt werden.
-
Die
Erfindung bezieht sich ferner auf ein mikrofluidisches Gerät, das dazu
angepasst ist mikrofluidische Prozesse zu prozessieren. Das Gerät weist vorteilhafterweise
ein Kopplungsgerät
zum Steuern des mikrofluidischen Prozesses auf. Das erlaubt ein hoch
integriertes Gerät,
das dazu angepasst ist, komplexe mikrofluidische Prozesse auszuführen.
-
Die
Erfindung bezieht sich weiter auf eine Anordnung zum Handhaben von
Flüssigkeit
innerhalb eines mikrofluidischen Gerätes mit zumindest einem integrierten
Steuerungsgerät,
zum Beispiel einem Ventilschieber wie oben beschrieben. Das mikrofluidische
Gerät weist
zumindest einen Anschluß und
zumindest einen an den Anschluss gekoppelten mikrofluidischen Flusspfad
auf. Der Flusspfad und/oder der Anschluss werden/wird durch das
Steuerungsgerät
Fluss-gesteuert, insbesondere abgedichtet, geschaltet oder gekoppelt.
Vorzugsweise können
das Steuerungsgerät,
der Flusspfad und/oder der Anschluss durch ein externes Dichtungselement
abgedichtet werden. Ausführungsformen
können
eines oder mehreres des Folgenden aufweisen. Das Dichtungselement
wird gegen das mikrofluidische Gerät gelegt, insbesondere gegen das
mikrofluidische Gerät
gepresst, nahe dem Steuerungsgerät,
durch ein Piezo-elektrisches Element oder ein anderes geeignetes
Aktuator-Element, zum Beispiel einen Elektromagnet. Der Druck induziert eine
Abdichtungskraft an dem mikrofluidischen Gerät. Das Dichtungselement weist
einen äußeren Aktuator
und einen inneren Aktuator, der innerhalb des äußeren Aktuators angeordnet
ist, auf. Die Aktuatoren können
gegen die Oberfläche
des mikrofluidischen Gerätes
separat gepresst werden, um unterschiedliche Abdichtkräfte zu induzieren,
die in unterschiedlichen Betriebszuständen des auf dem mikrofluidischen
Gerät ausgeführten mikrofluidischen
Prozesses benötigt
werden. Der äußere Aktuator
kann passiv gegen das mikrofluidische Gerät gepresst werden und der innere
Aktuator aktiv durch das Piezo-elektrische oder Aktuator-Element.
Vorteilhafterweise kann der innere Aktuator durch das Piezo-elektrische
Element gelöst
werden, um den Schaltzustand des Steuerungsgerätes zu ändern, zum Beispiel um den
Ventilschieber zu schieben. Das Dichtungselement kann in Ausführungsformen
ein Komponententeil oder ein Laborgerät sein. Der Aufbau kann dazu
angepasst sein mit dem Gerät
zu interagieren. Der Aufbau kann in das Gerät eingebracht werden. Das Gerät weist
vorteilhafterweise ein Gerät zum
Handhaben, Bewegen, Positionieren und/oder Verbinden des Aufbaus
auf. Der Aufbau und/oder das Gerät
weisen/weist bevorzugt Führungen
zum Führen
des Aufbaus innerhalb des Gerätes
auf.
-
Die
Erfindung bezieht sich schließlich
auf ein Verfahren zum Steuern eines mikrofluidischen Prozesses,
der mit einer mikrofluidischen Anordnung mit einem mikrofluidischen
Gerät,
das ein mikrofluidisches Kopplungsgerät aufweist, ausgeführt wird.
In einem ersten Schritt wird ein externes Dichtungselement gelöst. Vorteilhafterweise
reduziert dieser Schritt die Reibung von beweglichen Teilen des Kopplungselementes.
Danach wird das Steuerungselement gestellt; insbesondere der Ventilschieber wird
bewegt um den mikrofluidischen Fluss innerhalb des mikrofluidischen
Gerätes
zu steuern. Schließlich wird
das Dichtungselement wieder festgemacht, um die Fluid enthaltenden
Komponenten des mikrofluidischen Gerätes abzudichten.
-
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die
Erfindung wird im Folgenden weiter unter Heranziehung der Zeichnungen
erläutert,
wobei sich gleiche Referenzzeichen auf gleiche oder funktional gleiche
oder ähnliche
Merkmale beziehen.
-
1 und 2 zeigen
in Draufsicht einen Ventilschieber mit unterschiedlichen Steuerelementen.
-
3A bis
C zeigen Querschnittsansichten von verschiedenen Ausführungsformen
des Ventilschiebers 1 aus 1, entlang
der Linie A-A der 1.
-
4 zeigt
einen weiteren Ventilschieber.
-
5 zeigt
eine teilweise schematische Draufsicht auf ein mikrofluidisches
Gerät mit
einem mikrofluidischen Ventilschieber.
-
6 und 7 zeigen
schematische Teil-Draufsichten auf ein anderes mikrofluidisches Gerät mit einem
anderen mikrofluidischen Ventilschieber in unterschiedlichen Darstellungen.
-
8 zeigt
eine teilweise longitudinale Ansicht des mikrofluidischen Gerätes nach 6 mit
einem mikrofluidischen Ventilschieber in einer ersten Anordnung,
entlang der Linien B-B in 6.
-
9 zeigt
eine teilweise longitudinale Ansicht des mikrofluidischen Gerätes nach 7 mit dem
mikrofluidischen Ventilschieber in einer zweiten Anordnung, entlang
der Linien C-C in 7.
-
10 zeigt
ein mikrofluidisches Kopplungsgerät.
-
11 zeigt
eine longitudinale Ansicht eines mikrofluidischen Kopplungsgerätes nach 10,
gezeigt entlang der Linien D-D in 10.
-
12 zeigt
eine dreidimensionale Draufsicht eines anderen mikrofluidischen
Kopplungsgerätes.
-
13 zeigt
eine dreidimensionale teilweise Draufsicht auf eine mikrofluidische
Anordnung mit dem mikrofluidischen Kopplungsgerät aus 12 und
einem externen Dichtungselement.
-
14 zeigt
in Draufsicht die Vorderseite des externen Dichtungselements.
-
15 zeigt
eine Draufsicht eines anderen mikrofluidischen Kopplungsgerätes.
-
16 zeigt
eine Schnittansicht eines mehrlagigen Ventilschiebers.
-
1 zeigt
in Draufsicht einen Ventilschieber 1, der ein flaches Material,
zum Beispiel eine Folie, aufweist mit einem Steuerungselement 3 zum Fluss-Steuern
des Flusses innerhalb zweier Flusspfade 5 und 7 – angedeutet
mit gepunkteten Linien. Der Ventilschieber 1 stellt ein
Steuerungsgerät
zum Fluss-Steuern des Flusses innerhalb der Flusspfade 5 und 7 dar.
-
Die
Flusspfade 5 und 7 können Teil eines mikrofluidischen
Gerätes
(in dieser Figur nicht gezeigt) sein. Der Ventilschieber 1 ist
wie ein Rechteck geformt und kann senkrecht, in Ausführungsformen eckig,
bewegt werden in Bezug auf die Flussrichtung der Flusspfade 5 und 7 – wie mit
einem doppelten Pfeil 9 dargestellt. Das Steuerungselement 3 stellt
ein Fluid führendes
Element dar. Es kann an die Flusspfade 5 und 7 gekoppelt
werden. Die Flusspfade 5 und 7 können über das
Steuerelement 3 gekoppelt werden. Dementsprechend ist die
Länge des
Steuerungselements 3 zumindest so lange wie der Abstand zwischen
den Flusspfaden 5 und 7 gegenüberliegend zu dem Ventilschieber 1.
Die Flusspfade 5 und 7 können optional gekoppelt oder
separiert werden durch Bewegen des Ventilschiebers senkrecht zu
der Flussrichtung der Flusspfade 5 und 7. Nicht
sichtbare Seitenwände 11 benachbart
zu dem Steuerungselement 3 des Ventilschiebers 1 können einen
oder beide der Flusspfade 5 und 7 schließen. In
Ausführungsbeispielen
stellen die Seitenwände 11 Dichtungsoberflächen für die Flusspfade 5 und 7 mit
einer Leckage von weniger als einem Prozent des Flusses innerhalb
der Flusspfade 5 und 7 dar.
-
2 zeigt
einen Ventilschieber 1, aber mit einem sich verjüngendem
Steuerungselement 13.
-
Das
sich verjüngende
Steuerungselement 13 stellt einen sich verjüngenden
Flusspfad mit einem variablen Flusswiderstand dar. Der Flusswiderstand
kann durch Schieben des Ventilschiebers 1 von einem Minimumwert
zu einem Maximumwert variiert werden. Beim Maximumwert sind die
Flusspfade 5 und 7 praktisch abgedichtet.
-
Der
minimale Wert kann dadurch erreicht werden, indem ein erster Endpunkt 15 des
sich verjüngenden
Steuerungselements 13 auf den Flusspfad 5 geschoben
wird. Der Maximalwert kann durch Bewegen eines zweiten Endpunktes 17 des
sich verjüngenden
Steuerungselementes 13 oder eher der Seitenwand 11 des
Ventilschiebers 1 nahe des Endpunktes 17 auf dem
Flusspfad 7 erreicht werden. Der sich verjüngende Flusspfad
des sich verjüngenden Steuerungselementes 13 hat
eine maximale Querschnittsfläche
bei dem ersten Endpunkt 15 und eine minimale Querschnittsfläche bei
dem zweiten Endpunkt 17.
-
Die 3A-C
zeigen Querschnittsansichten von verschiedenen Ausführungsformen
des Ventilschiebers aus 1, gezeigt entlang der Linien
A-A der 1. Der grundsätzliche
Aufbau des gezeigten Steuerungselements 3 kann auf sich
verjüngende Elemente
wie in 2 gezeigt übertragen
werden.
-
In 3A weist
das flache Material des Ventilschiebers 1 oder eher des
Steuerungselements 3 eine Fase 19, in 3B eine
Stufe 21 und in 3C eine
Aussparung 23 auf. In Ausführungsformen kann die Form
des Steuerungselements 3, das einen verbindenden Flusspfad
zwischen den Flusspfaden 5 und 7 darstellt, auf
jede andere geeignete Form variiert werden.
-
4 zeigt
einen anderen Ventilschieber 1 mit vier Steuerungselementen 3,
die Vertiefungen 25 oder eher eckige Vertiefungen 27 aufweisen.
Die Vertiefungen 25 und 27 können jede an die Flusspfade 5 und 7 gekoppelt
oder davon separiert werden, durch Schieben des Ventilschiebers 1 wie
oben beschrieben. Zusätzlich
kann die eckige Vertiefung 27 einen parallelen Flusspfad 29 ankoppeln
oder separieren. In der Anordnung wie in 4 gezeigt,
stellt die Vertiefung 27 des Ventilschiebers 1 eine
schaltbare Gabelung 31 dar. Der Flusspfad 7 kann
mit den Flusspfaden 5 und 29 über die eckige Vertiefung 27 gekoppelt
werden. In Ausführungsbeispielen
ist die eckige Vertiefung 27 dazu angepasst, um optional
nur eine oder beide der Flusspfade 5 und 29 von
dem Flusspfad 7 in unterschiedlichen Stellungen des Ventilschiebers 1 zu
separieren. Um einen Ventilschieber 1 mit diesen drei Stellungen
darzustellen, kann die eckige Vertiefung 27 „U" oder „Z"-förmig sein.
Die Flusspfade 5, 7 und 29 können Teil
einer fluidischen Leitungslage des nicht gezeigten mikrofluidischen Gerätes sein.
Eine der flachen Seiten des Ventilschiebers 1 kann gegen
die Lage gelegt werden, die die Flusspfade 5, 27 und 29 aufweist.
Zum Schalten – Verbinden
oder Separieren – der
Flusspfade 5, 7 und 29 in unterschiedlichen,
Fluss führenden
Lagen des nicht gezeigten mikrofluidischen Gerätes kann das Steuerungselement 3 Schlitze
oder Löcher
aufweisen, die ähnlich
geformt sind wie die Vertiefungen 25 und 27.
-
5 zeigt
eine schematische Teildraufsicht auf ein mikrofluidisches Gerät 33 mit
einem mikrofluidischen Ventilschieber 35.
-
Der
Ventilschieber 35 weist ein Steuerungselement 13 mit
einem sich verjüngenden
Schlitz 37 auf. Der Ventilschieber 35 ist innerhalb
des mikrofluidischen Gerätes 33 integriert.
Nicht sichtbare Teile werden mit gepunkteten Linien dargestellt.
Das mikrofluidische Gerät 33 weist
eine obere Lage 39, eine Separationslage 41 (nicht
sichtbar) und eine untere Lage 43 (ebenso nicht sichtbar)
auf. Der Ventilschieber 35 ist bewegbar – Pfeil 9 – und ist
in einem Ausschnitt 45 der Separationslage 41 zwischen
der oberen Lage 39 und der Separationslage 41 angeordnet. Die
obere Lage 39, der Ausschnitt 45 und der Separationslage 41 und
die untere Lage 43 stellen ein Lager für den Ventilschieber 35 dar.
Die Dicke der Lagen 39, 41 und 43 des
mikrofluidischen Gerätes 33 kann
variieren.
-
Der
Schlitz 37 ist an einen Flusspfad 5 gekoppelt,
der in der unteren Lage 43 des mikrofluidischen Gerätes 33 eingefügt ist,
und an ein Loch 47 in der oberen Lage 39 des mikrofluidischen
Gerätes 33. Das
Loch 47 stellt einen Anschluss 49 des mikrofluidischen
Gerätes 33 dar,
zum Beispiel einen Einlass- oder einen Auslassanschluss. Der Anschluss 49 kann
Fluss-gesteuert werden durch den Ventilschieber 35 mit
dem Steuerungselement 13. Der Schlitz 37 des Steuerungselements 13 stellt
einen Flussregulator mit der selben Funktionalität wie oben beschrieben (siehe 2)
dar. Als Unterschied muss der Endpunkt 15 des Steuerungselementes 13 zu
dem Loch 47 bewegt werden, um den minimalen Flusswiderstand
zu erreichen und entsprechend dem maximalen Fluss durch den Anschluss 49 des
mikrofluidischen Gerätes 33.
In Ausführungsformen
kann der Schlitz 37 durch eine sich verjüngende Vertiefung
ersetzt werden. Das Loch 47 kann durch eine Durchgangsbohrung
oder durch eine jegliche Durchgangsbohrung mit beliebiger Form erreicht
werden.
-
Die 6 und 7 zeigen
schematische Draufsichten auf einen Teil eines anderen mikrofluidischen
Gerätes 51 mit
einem mikrofluidischen Ventilschiebers 53 in unterschiedlichen
Stellungen.
-
Das
Steuerungselement 3 des Ventilschiebers 53 kann
durch Löcher 55 erreicht
werden, zum Beispiel Durchgangsbohrungen. Im Unterschied zu dem
mikrofluidischen Gerät 33 wie
in 5 beschrieben, sind die drei Löcher 47 der drei Anschlüsse 49 des
mikrofluidischen Gerätes 51 im
Wesentlichen in der selben Position wie die Enden der fünf Flusspfade 5 angeordnet,
aber in unterschiedlichen Lagen implementiert, der oberen Lage 39 und
der unteren Lage 43.
-
8 zeigt
eine longitudinale Ansicht eines Teils des mikrofluidischen Gerätes nach 6 mit dem
mikrofluidischen Ventilschiebers 53 in einer ersten Stellung,
gezeigt entlang der Linien B-B aus 6.
-
9 zeigt
eine longitudinale Ansicht eines Teils des mikrofluidischen Gerätes nach 7 mit dem
mikrofluidischen Ventilschiebers 53 in einer zweiten Stellung,
gezeigt entlang der Linien C-C aus 7.
-
In
einer ersten Stellung, wie in den 6 und 8 gezeigt,
ist der Anschluss 49 des mikrofluidischen Gerätes 51 mit
dem Flusspfad 5 der unteren Lage 43 des mikrofluidischen
Gerätes 51 über das Loch 47 der
oberen Lage 39 und über
das Loch 55 des Steuerungselements des Ventilschiebers 53 gekoppelt.
-
In
einer zweiten Stellung ist der Anschluß 49 des mikrofluidischen
Gerätes 51 geschlossen
oder eher separiert von dem Flusspfad 5 durch eine obere Dichtungsoberfläche 57 und
einer unteren Dichtungsoberfläche 49 des
Ventilschiebers 53.
-
Die
untere und die obere Lage 43 und 39 weisen jede
eine innere Oberfläche 61 auf.
Die Dichtungsoberflächen 57 und 59 werden
gegen die innere Oberfläche 61 der
Lagen 39 und 43 des mikrofluidischen Gerätes 51 gelegt,
um den Flusspfad 5 abzudichten und den Anschluss 5 zu
schließen.
-
Der
Ventilschieber 53 kann rechtwinklig geschoben werden, in
Ausführungsformen
eckig, in Bezug auf die Flussrichtung des Flusspfades 5 oder eher
die Bildebene der 8 und 9, um die
Position zu ändern.
-
Die
mikrofluidischen Geräte 33 und 51 können dazu
vorgesehen sein mikrofluidische Prozesse auszuführen, wie zum Beispiel Analyse-
und Separationsprozesse oder Syntheseprozesse wie zum Beispiel ein
PCR-Prozess.
-
10 zeigt
ein mikrofluidisches Koppelgerät 63 mit
einem Ventilschieber 65.
-
11 zeigt
eine longitudinale Ansicht des mikrofluidischen Kopplungsgerätes 63 nach 10, gezeigt
entlang der Linien D-D der 10.
-
Nicht
sichtbare Teile werden gepunktet dargestellt.
-
Das
Kopplungsgerät 63 weist
drei erste Anschlüsse 67 in
der oberen Lage 39 und drei zweite Anschlüsse 69 in
der unteren Lage 43 auf, die drei Paare von Anschlüssen 67 und 69 darstellen.
Das Paar der Anschlüsse 67 und 69 kann
jeweils durch den Ventilschieber 65 ausgewählt und
mittels dem Flusspfad 5, der in der Separationslage 41 implementiert
ist, gekoppelt werden über
eine geradlinige Vertiefung 71 des Steuerungselements 3 des
Ventilschiebers 65, über
den in der oberen Lage 39 sich implementierten Flusspfad 7 und über ein
Loch 72, zum Beispiel eine Bohrung, in der Separationslage 41.
Die geradlinige Vertiefung 71 kann mit dem Ventilschieber 65 in
drei unterschiedliche Kopplungspositionen bewegt werden. In 10 ist
eine Kopplungspositionen dargestellt. Das Paar der Anschlüsse 67 und 69 – gezeigt
von unten in 10 – wird an einen kontinuierlichen
Flusspfad 73 gekoppelt. Für alle anderen Positionen des
Ventilschiebers 65 innerhalb des Kopplungsgerätes 63 werden
alle Flusspfade 5 und 7 des Kopplungsgerätes 63 durch
longitudinale Seitenwände 75 des
Ventilschiebers 65 abgedichtet. Entsprechend werden alle
Paare der Anschlüsse 67 und 69 losgelöst.
-
Das
Kopplungsgerät 63 kann
an andere mikrofluidische Geräte
gekoppelt werden.
-
12 zeigt
eine dreidimensionale Draufsicht auf ein mikrofluidisches Kopplungsgerät 77 mit einem
Ventilschieber 79 mit der im Wesentlichen selben Funktionalität wie das
mikrofluidische Gerät 51, wie
in den 6-7 beschrieben. Entsprechend werden
nur die Unterschiede dargestellt.
-
Der
Ventilschieber 79 weist Griffaussparungen 81,
zum Beispiel einen automatischen Greifer, auf. Das mikrofluidische
Kopplungsgerät 77 weist
einen Anschluss 69 auf, der angekoppelt oder separiert werden
kann von einem ein Loch 47 aufweisenden Anschluss 49 über einen
Flusspfad 5 und über
das Steuerungselement 3 des Ventilschiebers 79,
der ein Loch 55 aufweist.
-
13 zeigt
eine dreidimensionale teilgeschnittene Draufsicht eines mikrofluidischen
Aufbaus 81 mit dem mikrofluidischen Kopplungsgerätes 77 nach 12 und
einem externen Dichtungselement 83.
-
Das
externe Dichtungselement 83 weist einen äußeren Aktuator 85 und
einen inneren Aktuator 87 innerhalb des äußeren Aktuators 85 auf.
-
In
Ausführungsformen
kann der Anschluss 49 in die obere Lage 39 gesetzt
werden – wie
mit einem gepunkteten Kreis 86 angedeutet. Das externe Dichtungselement 83 kann
der unteren Lage 43 des mikrofluidischen Kopplungsgerätes 77 entgegen
blicken oder kann einen konzentrischen Flusspfad innerhalb des an
den Anschluss 49 gekoppelten Aktuators 87 aufweisen.
-
14 zeigt
eine Draufsicht der Vorderseite des externen Dichtungselements 83.
Die Frontseite zeigt das mikrofluidische Kopplungsgerät 77 mit
einer äußeren Dichtungsoberfläche 91 des äußeren Aktuators 85 und
einer inneren Dichtungsoberfläche 93 des
inneren Aktuators.
-
15 zeigt
in Draufsicht ein anderes mikrofluidisches Kopplungsgerät 95 mit
einem Ventilschieber, der als ein Ventilrotor 97 ausgeführt ist.
Schieben soll in dieser Anmeldung als jegliche ebene Bewegung verstanden
werden, insbesondere geradlinig und/oder rotierend. Nicht sichtbare
Teile werden als gepunktet angedeutet. Im Folgenden sollen nur die Unterschiede
zu dem Kopplungsgerät
der 10 und 11 beschrieben
werden.
-
Der
Ventilrotor 97 weist ein Loch 55, das einen in
der oben Lage 39 des mikrofluidischen Kopplungsgerätes 95 enthaltenen
Flusspfad 5 verbindet, und einen Flusspfad 7,
der in der unteren Lage 43 des mikrofluidischen Kopplungsgerätes 95 enthalten ist,
auf. Die Flusspfade 5 und 7 können voneinander entkoppelt
werden durch Rotieren des Ventilrotors 97. 15 zeigt
eine erste Stellung des Ventilrotors 97 in der die Flusspfade 7 und 9 miteinander
verbunden sind und worin das Loch 55 des Ventilrotors 97 dicht
an die Flusspfade 7 und 9 positioniert ist, um diese
zu verbinden. In einer zweiten Stellung sind die Flusspfade 5 und 7 voneinander
entkoppelt durch Dichtungsoberflächen 57 und 59 des
Ventilrotors 97. Entsprechend werden die Anschlüsse 67 und 97 in dieser
Stellung voneinander getrennt. Der Durchmesser des Ventilrotors 97 ist
größer als
die laterale Dimension des mikrofluidischen Kopplungsgerätes 95.
Die Separationslage 41 des mikrofluidischen Kopplungsgerätes 95 weist
einen teilrunden Ausschnitt 99 auf, der zusammen mit den
inneren Oberflächen 61 der
Lagen 39 und 43 ein Lager für den Ventilrotor 97 darstellen.
Der Ventilrotor 97 kann durch Greifen und Betätigen der
Aussparungen 81 in jedem Rotationssinne gedreht werden – wie mit
einem Doppelpfeil 9 dargestellt.
-
16 zeigt
eine Schnittansicht eines mikrofluidischen Mehrlagenventilschiebers 101 mit
einer Mehrlagenfolie, die drei Lagen hat: Eine mittlere Lage 103 und
zwei Dichtlagen 105. Die mittlere Lage 103 kann
ein Material aufweisen, das dazu angepasst ist, den mikrofluidischen
Mehrlagenventilschieber 101 zu versteifen. Die zwei Dichtungslagen 105 können ein Material
aufweisen, das dazu angepasst ist zu dichten und Reibung zu verringern.
Zum Beispiel kann die mittlere Lage 103 mit einem Oberfläche modifizierenden
Material und/oder einem Material mit einem geringen Reibungskoeffizienten
bedeckt werden, wie zum Beispiel TEFLON, Gummi oder ähnliches,
um die Dichtungslagen 105 darzustellen. Daneben können die
Lagen 39 und 43 ein Material aufweisen, das dazu
angepasst ist abzudichten und die Reibung zu reduzieren und/oder
ein Material das zum Versteifen angepasst ist.
-
Im
Folgenden soll ein Verfahren zum Steuern eines mikrofluidischen
Prozesses, der mit einer mikrofluidischen Anordnung mit einem mikrofluidischen Kopplungsgerätes mit
einem Ventilschieber ausgeführt
wird, mit Bezugnahme auf die obigen Figuren, insbesondere die 13 und 14,
beschrieben werden.
-
In
einem ersten Schritt wird zumindest einer der Aktuatoren 85 oder 87 eines
externen Dichtungselementes 83 freigesetzt. Vorteilhafterweise
reduziert dieser Schritt die Reibung der beweglichen Teile des Kopplungsgerätes 77.
Reibung tritt an den inneren Oberflächen 61 der Lagen 39 und 42 des
mikrofluidischen Kopplungsgerätes 77 sowie
an den Dichtungsoberflächen 57 und 59 des
Ventilschiebers 79 auf.
-
In
Ausführungsformen
wird die äußere Dichtungsoberfläche 91 des äußeren Aktuators 85 gegen eine äußere Oberfläche 107 der
oberen Lage 39 des mikrofluidischen Kopplungsgerätes 77 durch
eine Feder gepresst. Das gewährleistet
leichten Dichtungskontakt zwischen den Oberflächen 61 der Lagen 39, 43 und
den Dichtungsoberflächen 57 und 59 des
Ventilschiebers 79. Der Ventilschieber 79 kann geteilt
werden trotz dieser leichten Abdichtungskräfte.
-
In
Ausführungsformen
wird eine innere Dichtungsoberfläche 93 des
inneren Aktuators 87 gegen die äußere Oberfläche 107 der oben Lage 39 durch ein
Piezoelektrisches Element oder einem geeigneten Aktuator-Element
gedrückt,
bevor es wieder freigegeben wird.
-
Nachfolgend
wird der Ventilschieber 97 bewegt um den mikrofluidischen
Fluss innerhalb des mikrofluidischen Kopplungsgerätes 77 zu
steuern.
-
Schließlich wird
zumindest einer der Aktuatoren 85 und/oder 87 des
Dichtungselements 83 wieder angezogen um die Fluid enthaltenden
Komponenten, den Flusspfad 5, des mikrofluidischen Kopplungsgerätes 77 abzudichten.
-
In
Ausführungsformen
kann die obere Lage 43 des mikrofluidischen Kopplungsgerätes 77 gegen ein
flaches Gegenlager (nicht gezeigt) gedrückt werden, um die Dichtkräfte aufzunehmen.
-
Die
in den verschiedenen Figuren dargestellten Merkmale, insbesondere
unterschiedliche Steuerelemente 3 und/oder 13,
können
in Ausführungsbeispielen
kombiniert werden.
-
In
anderen Ausführungsformen
sind mikrofluidische Geräte
und/oder Aufbauten mit mehr als einem Ventilschieber und/oder mehr
als einem mikrofluidischen Kopplungsgerät möglich.
-
In
weiteren Ausführungsbeispielen
können das
mikrofluidische Gerät
gebogen oder verdreht werden. Insbesondere weist das mikrofluidische
Gerät ein
elastisches Material zum Biegen und/oder Verdrehen auf.
-
Die
mikrofluidischen Geräte
können
durch einen im Stand der Technik bekannten Laminationsprozess hergestellt
werden.
-
Schließlich können die
mehrlagigen mikrofluidischen Geräte
mehr als drei Lagen und/oder mehr als ein mikrofluidisches Kopplungsgerät aufweisen.
-
Es
ist zu verstehen, dass diese Erfindung nicht auf besondere Komponententeile
der beschriebenen Geräte
oder auf Prozessschritte der beschriebenen Methoden zu begrenzen
ist, da solche Geräte und
Methoden variieren können.
Es ist ebenso zu verstehen, dass die hierin verwendete Terminologie nur
zum Zwecke des Beschreibens bevorzugter Ausführungsformen und nicht limitierend
ist. Es ist anzumerken, dass die in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendete
Singularform von „ein/er" und „der/die/das" ebenso die Mehrzahl
beinhalten, insofern der Kontext dem nicht ausdrücklich widerspricht. So umfasst
zum Beispiel die Bezugnahme auf „ein mikrofluidisches Kopplungsgerät" oder „ein Schieber" zwei oder mehr solcher
funktionaler Elemente.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Ein
Ventilschieber (1, 35, 53, 65, 79, 97)
für ein
mikrofluidisches Kopplungsgerät
(63, 77, 95), worin der Schieber eine
flache Folie aufweist und dazu angepasst ist den Fluss innerhalb
zumindest eines Flusspfades (5, 7) des mikrofluidischen
Kopplungsgerätes
(63, 77, 95) Fluss zu kontrollieren.
Der Schieber (1, 35, 53, 65, 79, 97)
weist zumindest ein mikrofluidisches Steuerungselement (3, 13)
zum Kontrollieren des Flusses innerhalb des Flusspfades (5, 7) auf.