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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Mikrofluidik-Sondeneinheiten, insbesondere einen Mikrofluid-Sondenkopf und ein Verfahren zum Herstellen davon.
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Hintergrund der Erfindung
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Mikrofluidik bezeichnet allgemein mikrofabrizierte Einheiten, die zum Pumpen, Probenehmen, Mischen, Analysieren und Dosieren von Flüssigkeiten verwendet werden. Wichtige Merkmale davon haben ihre Ursache in dem eigenartigen Verhalten, das Flüssigkeiten auf dem Mikrometer-Längenmaßstab zeigen. [1, 2] Der Flüssigkeitsstrom in der Mikrofluidik ist typischerweise laminar. Durch die Herstellung von Strukturen mit Seitenabmessungen im Mikrometerbereich können Volumen von deutlich unter einem Nanoliter erzielt werden. Reaktionen, die auf großem Maßstab beschränkt sind (durch die Diffusion von Reaktanden), können beschleunigt werden. [3] Schließlich können möglicherweise parallele Ströme von Flüssigkeiten genau und reproduzierbar gesteuert werden, um chemische Reaktionen und Gradienten an flüssig/flüssig- und flüssig/fest-Grenzflächen zu ermöglichen. [4] Demgemäß wird die Mikrofluidik für verschiedene Anwendungen in den Biowissenschaften verwendet.
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Die meisten Mikrofluidik-Einheiten weisen Chip-Schnittstellen für den Benutzer und geschlossene Strömungswege auf. Geschlossene Strömungswege ermöglichen das Integrieren funktioneller Elemente (beispielsweise Heizer, Mischer, Pumpen, UV-Detektoren, Ventile usw.) in die Einheit unter Minimierung von Problemen mit Leckage und Verdunstung. Die Verarbeitung und Strukturierung von Oberflächen in derartigen Mikrofluidik-Einheiten ist aber schwierig durchzuführen.
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Es wurden Tintenstrahldüsen entwickelt, die beispielsweise Tinte in einem kontaktfreien Modus abgeben können, nicht aber bei Vorhandensein einer Flüssigkeit. [5] Andere Verfahren können Oberflächen mit noch höherer Auflösung strukturieren, ihre Fähigkeit zur Verwendung in einer flüssigen Umgebung ist aber beschränkt. [6, 7] Flüssige Umgebungen minimieren Trocknungsartefakte, Denaturierung von Biomolekülen und ermöglichen das Arbeiten mit lebenden Mikroorganismen.
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Zum Strukturieren von Oberflächen und Analysieren von Proben an einer Oberfläche in Gegenwart einer flüssigen Umgebung wurden mehrere Strategien entwickelt, um Beschränkungen der geschlossenen Mikrofluidik zu überwinden. Einige Strategien beruhen auf dem Eingrenzen von Flüssigkeiten nahe einer Oberfläche [8, 9] oder Abgeben einer genauen Menge von Biomolekülen in einem gut definierten Bereich einer Flüssigkeit. [10] Zum mikrometergenauen Strukturieren von Biomolekülen auf Oberflächen wurden auch Raster-Nanopipetten und hohle Atomkraftmikroskopie(AFM)-Sonden entwickelt. [11, 12, 13]
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Als weiteres Beispiel wurde eine kontaktfreie Mikrofluidik-Sondentechnologie („microfluidic probe” oder „MFP”) entwickelt (siehe beispielsweise
US 2005/0247673 ), die das Strukturieren von Oberflächen durch Zugeben oder Entfernen von Biomolekülen, Erzeugen von Oberflächendichte-Gradienten von auf Oberflächen abgeschiedenen Proteinen, Lokalisieren von Reaktionen an flüssigen Zwischenphasen in der Nähe einer Oberfläche und das Färben und Entfernen von Zellen, die an einer Oberfläche haften, ermöglicht. [14] Auch andere Anwendungen wurden geprüft. [15, 16]
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1A bis 1D zeigen einen derartigen MFP-Kopf 100 und veranschaulichen sein Arbeitsprinzip. Der Teil 105 (1D) des Kopf 100, der die Flüssigkeit eingrenzt, ist ein Si-Chip mit zwei Öffnungen 101, 102. Er wird nahe an ein Substrat 300 von Interesse gebracht. Waagrechte Mikrokanäle 115 (1C) an der anderen Seite des Chips 100 verbinden die Öffnungen mit Durchgangslöchern 91, 92, die in einem Poly(dimethylsiloxan)(PDMS)-Verbindungsblock 90 gebildet sind, 1A. In das PDMS eingeführte Kapillaren 81, 82 bilden eine Verbindung zwischen motorisierten Pumpen und den Öffnungen 101, 102. Somit wird durch Steuern der Flussrate einer durch eine Öffnung 101 eingespritzten Flüssigkeit 420 und Wiederabsaugen durch die andere Öffnung 102 (zusammen mit etwas der Immersionsflüssigkeit 410) die Eingrenzung der eingespritzten Flüssigkeit 420 erzielt, 1D. In 1C wird ein derartiger zusammengebauter MFP-Kopf schematisch dargestellt.
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Obwohl diese Technologie in vieler Hinsicht und für vielfältige Anwendungen vorteilhaft ist, bleiben hinsichtlich der Herstellung Probleme zu lösen. Insbesondere ist das Zusammenbauen des Si-Kopfs 100 mit dem PDMS-Verbindungsblock 90 und das Einführen der Glaskapillaren 81, 82 arbeitsintensiv. Zudem haben derartige Arbeitsschritte eine beschränkte Ausbeute, da der Si-Chip und das PDMS klein und schwierig zu handhaben sind. Ferner können während des Bindens an den Si-Kopf und des Einführens der Kapillaren Spannungen in dem PDMS-Block 90 zum Ablösen des PDMS führen. Darüber hinaus ist die Mikrofabrikation kleiner Öffnungen in einem dicken Si-Wafer unter Verwendung von beispielsweise tiefem reaktivem Ionenätzen (DRIE) oder Plasmaätzen aufgrund der Dicke, die der Kopf beispielsweise für mechanische Stabilität aufweisen muss, schwierig und zeitaufwändig. Derartige Beschränkungen können den industrialisierten Einsatz der MFP-Technologie erschweren.
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Ferner ist das Eingrenzen der eingespritzten Flüssigkeit 420 in einer Immersionsflüssigkeit schwierig.
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Aus Gründen der Vollständigkeit werden die Patentdokumente
US 2007/0160502 ,
JP 2005/111567 und
US 5 882 465 erwähnt, die Verfahren zum Herstellen von Mikrofluidik-Einheiten oder -Reaktoren betreffen.
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Neben der reinen Patentliteratur wird das Thema in mehreren Veröffentlichungen behandelt, von denen einige am Ende der vorstehenden Beschreibung genannt werden.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Bei einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung einen Mikrofluidik-Sondenkopf mit einer Basisschicht bereit, aufweisend: einen Arbeitsflüssigkeit-Mikrokanal in Fluidverbindung mit einer Arbeitsflüssigkeit-Öffnung an einer Seite der Basisschicht; und einen Immersionsflüssigkeit-Mikrokanal in Fluidverbindung mit einer Immersionsflüssigkeit-Öffnung an einer Seite der Basisschicht, wobei der Mikrofluidik-Sondenkopf dafür gestaltet ist, in Verwendung ein Kombinieren von Arbeitsflüssigkeit, die durch die Arbeitsflüssigkeit-Öffnung bereitgestellt wird, mit Immersionsflüssigkeit, die durch die Immersionsflüssigkeit-Öffnung bereitgestellt wird, zu erlauben.
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Bei anderen Ausführungsformen kann der Sondenkopf eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:
- – sowohl der Arbeitsflüssigkeit-Mikrokanal als auch der Immersionsflüssigkeit-Mikrokanal sind an einer oder mehreren Seiten der Basisschicht offen;
- – wenigstens ein Teil des Arbeitsflüssigkeit-Mikrokanals ist eine Furche, die an der oberen Seite der Basisschicht offen ist, und wenigstens ein Teil des Immersionsflüssigkeit-Mikrokanals ist an der oberen Seite der Basisschicht offen, so dass sie durch eine untere Seite einer zusätzlichen Schicht abschließbar sind;
- – der Mikrofluidik-Sondenkopf weist ferner eine Deckschicht auf, wobei wenigstens Teile des Arbeitsflüssigkeit-Mikrokanals und des Immersionsflüssigkeit-Mikrokanals durch einen Teil einer unteren Seite einer Schicht des Kopfs abgeschlossen sind;
- – der Arbeitsflüssigkeit-Mikrokanal und der Immersionsflüssigkeit-Mikrokanal ermöglichen jeweils Fluidverbindung zwischen einer oberen Seite der Basisschicht und einer entsprechenden Öffnung an einer Seite der Basisschicht;
- – der Mikrofluid-Sondenkopf weist ferner einen Schlauchanschluss („tubing port”) auf, der von einer oberen Seite der Deckschicht vorragt, und wobei die Deckschicht ein Durchgangsloch aufweist, das Fluidverbindung zwischen dem Schlauchanschluss und einer unteren Seite der Deckschicht ermöglicht, wobei der Kopf ferner dafür gestaltet ist, Fluidverbindung zwischen dem Durchgangsloch und einem oder mehreren der Mikrokanäle zu erlauben;
- – wenigstens ein Teil des Arbeitsflüssigkeit-Mikrokanals ist eine Furche, die sich bis zu der Arbeitsflüssigkeit-Öffnung erstreckt, wobei die Letztere an einem Ende der Furche in der Ebene einer Kante der oberen Seite der Basisschicht angeordnet ist;
- – ein Merkmal des Arbeitsflüssigkeit-Mikrokanals und/oder des Immersionsflüssigkeit-Mikrokanals verändert sich entlang des Mikrokanals, vorzugsweise kontinuierlich;
- – der Mikrofluidik-Sondenkopf weist ferner Thermoelemente auf, die zum Heizen von einem oder mehreren Mikrokanälen ausgelegt sind;
- – der Mikrofluidik-Sondenkopf weist ferner einen zweiten Arbeitsflüssigkeit-Mikrokanal in Fluidverbindung mit einer zweiten Arbeitsflüssigkeit-Öffnung an einer Seite der Basisschicht auf; und einen zweiten Immersionsflüssigkeit-Mikrokanal in Fluidverbindung mit einer zweiten Immersionsflüssigkeit-Öffnung an einer Seite der Basisschicht, wobei der Kopf ferner dafür gestaltet ist, in Verwendung ein Absaugen von etwas Fluid, das über eine oder mehrere verschiedene Öffnungen abgegeben wurde, an der zweiten Arbeitsflüssigkeit-Öffnung zu ermöglichen;
- – der Mikrofluidik-Sondenkopf weist ferner einen zweiten Immersionsflüssigkeit-Mikrokanal in Fluidverbindung mit einer entsprechenden zweiten Arbeitsflüssigkeit-Öffnung an einer Seite der Basisschicht auf; wobei der Mikrofluidik-Sondenkopf ferner dafür gestaltet ist, in Verwendung ein Kombinieren von Immersionsflüssigkeit, die durch eine erste Immersionsflüssigkeit-Öffnung bereitgestellt wird, mit Immersionsflüssigkeit, die durch die zweite Immersionsflüssigkeit-Öffnung bereitgestellt wird, zu erlauben;
- – der Mikrofluidik-Sondenkopf weist ferner zwei Mikrokanäle auf, die bezüglich einer mittleren Richtung der Abgabe von Arbeitsflüssigkeit durch die Arbeitsflüssigkeit-Öffnungen unsymmetrisch gestaltet sind;
- – zwei Mikrokanäle weisen verschiedene Strömungswiderstände auf; und
- – der Mikrofluidik-Sondenkopf ist ferner so gestaltet, dass Arbeitsflüssigkeit, die durch eine Arbeitsflüssigkeit-Öffnung bereitgestellt wird und mit Immersionsflüssigkeit kombiniert, die durch eine Immersionsflüssigkeit-Öffnung bereitgestellt wird, im Wesentlichen laminar ist.
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Bei einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zum Herstellen des Mikrofluidik-Sondenkopfs gemäß der Erfindung, aufweisend die Schritte: Bereitstellen der Basisschicht; und Herstellen der Mikrokanäle und Öffnungen in der Basisschicht.
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Einheiten und Verfahren, die die vorliegende Erfindung verkörpern, werden nun anhand nichtbeschränkender Beispiele und mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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Kurzbeschreibung mehrerer Ansichten der Zeichnungen
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1A bis 1D zeigen einen MFP im Stand der Technik und sein Arbeitsprinzip;
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2 ist eine 3D-Ansicht des Arbeitsendes eines MFP-Kopfs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 ist eine 3D-Einzelteildarstellung eines ähnlichen MFP-Kopfs mit zusätzlichen Merkmalen;
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4 ist eine 3D-Ansicht eines MFP-Kopfs gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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5 bis 10 sind schematische Ansichten von MFP-Köpfen gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
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11 ist eine schematische Ansicht einer Basisschicht eines MFP-Kopfs bei einer frühen Stufe der Herstellung gemäß einer Ausführungsform; und
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12 bis 13 veranschaulichen Varianten der Formen von Arbeitsflüssigkeit-Mikrokanälen nahe dem Ausgabeende.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Als Einleitung der nachstehenden Beschreibung werden zunächst bestimmte allgemeine Erscheinungsformen der Erfindung behandelt, die einen Mikrofluid-Sondenkopf (oder MFP-Kopf) betreffen. Im Gegensatz zu bekannten Lösungen werden Immersionsflüssigkeit-Mikrokanäle direkt an dem Kopf zusätzlich zu den Arbeitsflüssigkeit-Mikrokanälen bereitgestellt, d. h. an einer Basisschicht davon. Jeder Kanal steht in Fluidverbindung mit einer Öffnung, die an einer Seite der Basisschicht angeordnet ist. Typischerweise sind die Kanäle an der gleichen Seite der Basisschicht hergestellt, so dass sie mit einer zusätzlichen Schicht des Kopfs abgeschlossen werden können. Der Mikrofluid-Sondenkopf ist ferner dafür gestaltet, in Verwendung ein Mischen von Flüssigkeit, die über die Arbeitsflüssigkeit-Öffnung bereitgestellt wird, mit Immersionsflüssigkeit, die über eine Immersionsflüssigkeit-Öffnung bereitgestellt wird, zu erlauben. Beispielsweise kann der Kopf an einem Ende spitz gemacht werden, d. h. an dem Ende, an dem die Arbeitsflüssigkeit-Öffnungen mit Immersionsflüssigkeit-Öffnungen in der Nähe davon bereitgestellt sind. Das Bereitstellen von Immersionskanälen direkt an dem Kopf zusammen mit den Arbeitskanälen führt zu kompakteren Köpfen mit kleinerem Grundriss.
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Ferner wird die Herstellung von Mikrofluidik-Einheiten einfacher gemacht. Ein Grund ist, dass im Wesentlichen die gleiche Technologie für die Herstellung sowohl der Arbeits- als auch der Immersionsflüssigkeitswege verwendet werden kann, d. h. auf dem gleichen Chip (Basisschicht). Ferner kann ein Mehrschicht-Aufbau in Betracht gezogen werden. Dabei weist der Kopf typischerweise eine zusätzliche Deckschicht (der Basisschicht gegenüber liegend) und Schlauchanschlüsse auf. Die Schlauchanschlüsse ragen von der Deckschicht vor, wobei die letztere den Anschlüssen gegenüber liegende Durchgangslöcher aufweist, wodurch Fluidverbindung durch die Deckschicht zu der Basisschicht ermöglicht werden kann. Dort führen Mikrokanäle die Fluidverbindung zu Öffnungen an einer Seite der Basisschicht weiter.
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Ein derartiger mehrschichtiger MFP-Kopf ist einfacher herzustellen und zu verpacken als Köpfe mit unitärem Aufbau, wie im Hintergrundabschnitt erörtert. Insbesondere kann ein Mikrokanal vorteilhaft als Furche in der Ebene der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten graviert werden. Der MFP-Kopf kann ferner mit Schläuchen verbunden werden, beispielsweise unter Verwendung von Standardkupplungen für Schlauchanschlüsse. Die vorliegende Erfindung weist ein erhebliches Potential beispielsweise zum Strukturieren von kontinuierlichen und diskontinuierlichen Strukturen von Biomolekülen auf Oberflächen sowie für die direkte Verarbeitung von Resistmaterialien in einem kontaktfreien Modus auf.
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2 zeigt eine Ansicht des Arbeitsendes eines mehrschichtigen MFP-Kopfs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Wie zu sehen ist, weist der Kopf 100 eine Basisschicht 120 auf, in der Arbeitsflüssigkeit-Mikrokanäle 123, 124 zusammen mit Immersionsflüssigkeit-Mikrokanälen 223, 224 bereitgestellt sind. Jeder Kanal steht in Fluidverbindung mit einer Öffnung 121, 122, 221, 222, wobei jede Öffnung an einer Seite der Basisschicht angeordnet ist (nicht notwendigerweise die gleiche Seite), vorzugsweise eng benachbart. Bei Bewegen des Kopfs in die Nähe einer Oberfläche wird Arbeitsflüssigkeit, die durch die Öffnung 121 bereitgestellt wird, mit der Immersionsflüssigkeit kombinieren und tritt vorzugsweise in die Immersionsflüssigkeit ein, die über die Öffnungen 221 und 222 bereitgestellt wird, wie durch die gekrümmten (dicken) Pfeile symbolisch dargestellt. Die letzteren werden des Verständnisses halber gezeigt; ihre Abmessung ist mit Absicht übertrieben. In dieser Hinsicht ist die Einheit vorzugsweise gestaltet, um einen laminaren Fluss zu erhalten. Die Abmessungen der Öffnungen können beispielsweise einige zehn Mikrometer betragen. Sie sind typischerweise um hunderte Mikrometer beabstandet. Da hier Paare von Arbeitskanälen/-öffnungen verwendet werden, kann die Arbeitsflüssigkeit an der Öffnung 122 zusammen mit etwas von der Immersionsflüssigkeit wieder abgesaugt werden. Es ist zu beachten, dass der Strömungsweg zwischen den Öffnungen 121 und 122 umgekehrt werden kann, d. h. Arbeitsflüssigkeit kann durch die Öffnung 122 eingespritzt werden, während die Öffnung 121 Flüssigkeit absaugen kann. Die Arbeitsflüssigkeit ist im Wesentlichen nahe an den Öffnungen 121 und 122 lokalisiert und wird von einer Immersionsflüssigkeit umgeben, die im Wesentlichen in der Umgebung des Kopfs 100 vorhanden ist.
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Vorzugsweise schließt eine Deckschicht 110 wie dargestellt die Kanäle ab, die an der Oberseite der Basisschicht offen sind. Bei Varianten könnten Kanäle innerhalb der Dicke einer einzelnen Schicht bereitgestellt sein. Derartige Varianten sind aber schwieriger herzustellen.
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3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Kopfs mit einem ähnlichen Arbeitsende wie in 2. Der mehrschichtige Kopf 100 weist weiterhin eine Deckschicht 110 und eine Basisschicht 120 auf. Auch hier weist die Basisschicht 120 Öffnungen 121, 122, 221, 222 auf, die an einer Seite davon offen sind. Mikrokanäle 123, 124, 223, 224 erlauben Fluidverbindung von der oberen Seite der Basisschicht 120 (d. h. der unteren Seite der Deckschicht 110 gegenüber liegend) zu den Öffnungen.
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Ferner wird der Kopf mit Schlauchanschlüssen 181 und 182 dargestellt, die von der oberen Seite der Deckschicht 110 vorragen (nach dem Zusammenbauen der Anschlüsse und der Deckschicht). Die Deckschicht 110 weist ferner Durchgangslöcher 111 und 112 auf. Wie in der Zeichnung dargestellt, sind die Durchgangslöcher und Anschlüsse dafür gestaltet, Fluidverbindung von den Anschlüssen zu der Unterseite der Deckschicht 110, d. h. zu der Basisschicht, zu ermöglichen. Entsprechende Enden der Mikrokanäle sollen den Durchgangslöchern gegenüber liegen. Die Enden könnten beispielsweise größere Abmessungen als der mittlere Querschnitt des Mikrokanals aufweisen. Ähnlich können ein oder mehrere zusätzliche Schlauchanschlüsse, die den Anschlüssen 181 und 182 ähnlich sind, zusammen mit einem oder mehreren zusätzlichen Durchgangslöchern bereitgestellt werden, um Fluidverbindung von den Anschlüssen zu Immersionsflüssigkeit-Öffnungen zu ermöglichen (zur Klarheit hier nicht gezeigt). Bevorzugte Gestaltungen sind also jene, bei denen Mikrokanäle Fluidverbindung von einem Durchgangsloch (wahrscheinlich groß) bis zu entsprechenden Öffnungen, die vergleichsweise klein sind, ermöglichen. Ferner liegen die Öffnungen 121, 122, 221, 222 für Anwendungen, die nachstehend ausführlicher erörtert werden, wahrscheinlich eng beieinander.
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Der MFP-Kopf von 2 oder 3 ist leicht herzustellen. Zunächst erlaubt die Verwendung einer zusätzlichen Schicht das einfache Anbringen von Schlauchanschlüssen darauf, was viel einfacher durchführbar ist, als etwa für Kapillaren in einem PDMS-Block, wie in der Einleitung erörtert. Zweitens ist nur für die untere Schicht 120 eine wesentliche Bearbeitung zum Erzeugen von Mikrokanälen erforderlich.
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Ferner werden Teile der Arbeitsflüssigkeit-Mikrokanäle vorzugsweise als Furchen 123', 124', die an der oberen Seite davon offen sind, in der Schichtdicke der Basisschicht 120 bereitgestellt. Auf diese Weise wird die Herstellung eines Mikrokanals trotz seiner Querabmessung (wahrscheinlich klein, beispielsweise einige zehn Mikrometer) leicht erzielt. Nach dem Zusammenbauen wird die Furche durch einen Teil der Deckschicht 110 abgeschlossen. Die Furche kann mit einem Werkzeug direkt in die obere Oberfläche der Basisschicht 120 eingraviert werden. Sie kann jede geeignete Querschnittsform aufweisen, beispielsweise abgerundet, quadratisch, U- oder V-förmig. Das benötigte Werkzeug wird typischerweise dem Material der Basisschicht 120 entsprechend ausgewählt. Bei einer Variante kann Laserabtragung in Betracht gezogen werden. Am vorteilhaftesten wird allerdings tiefes reaktives Ionenätzen (DRIE) für die Herstellung von Mikrokanälen eingesetzt.
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Wie in 2 oder 3 dargestellt, erstrecken sich die Furchen 123', 124' bis zu den entsprechenden Öffnungen 121, 122. Ähnlich erreichen die Immersionskanäle 223, 224 entsprechende Öffnungen 221, 224. Bei diesem Beispiel sind die Kanäle und Öffnungen symmetrisch bezüglich der Hauptachse der Oberseite des Kopfs angeordnet. Eine Öffnung ist direkt am Ende der Furche auf der Ebene einer Kante 310 der Vorderseite 320 der Basisschicht 120 gebildet, was ebenfalls einfach herzustellen ist. Die Vorderseite 320 wird typischerweise spitz hergestellt, was eine kompakte Flüssigkeitsabgabe auf eine Oberfläche von Interesse ermöglicht und Raum für einfache optische Überwachung lässt.
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Mögliche Herstellungsschemata weisen zwei Hauptstufen auf. Beispielsweise wird während einer ersten Stufe hergestellt:
- – ein oder mehrere Durchgangslöcher in der Deckschicht, beispielsweise unter Verwendung von DRIE; und
- – ein oder mehrere Mikrokanäle in der Basisschicht, beispielsweise durch DRIE.
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In den Ansichten von 2 oder 3 sind Öffnungen direkt erhalten, wenn das Vorderende 320 des Kopfs geschnitten wird. Sollten andere Bauweisen in Betracht gezogen werden, können Öffnungen in der Basisschicht immer noch unter Verwendung von DRIE gebildet werden. Öffnungen weisen typische Seitenabmessungen von einigen zehn Mikrometer auf.
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Anschließend besteht eine zweite Stufe aus dem Zusammenfügen von Deck- und Basisschicht. Die Anschlüsse werden vorzugsweise später angebracht.
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Nun werden Einzelheiten eines bevorzugten Verfahrens zum Herstellen der Hauptmerkmale des MFP-Kopfs erörtert. Ein mehrschichtiger MFP-Kopf wie z. B. in 2 und 3 beschrieben wird vorzugsweise unter Verwendung von Si-Wafern mikrofabriziert, obwohl auch andere Materialien verwendet werden können.
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Nennen wir die Deckschicht 110 den Si-Deckel und die Basisschicht 120 den HFC-Chip. Für den Si- und den HFC-Chip werden ein einseitig bzw. ein zweiseitig polierter Si-Wafer verwendet. Beide Wafer weisen beispielsweise einen Durchmesser von 4 Inch und eine Dicke von 400 μm auf (Siltronix, Genf, Schweiz).
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Die Mikrostrukturen werden unter Verwendung von Standard-Photolithographie, lichtgezeichneten Polymermasken (Zitzmann GmbH, Eching, Deutschland) und DRIE, siehe beispielsweise STS ICP, Surface Technology Systems, Newport, UK, hergestellt. Die Mikrokanäle der HFC-Chips können 50 μm tief in die Oberseite des HFC-Wafers geätzt werden. Nötigenfalls kann die Unterseite des Wafers bearbeitet werden, um ein beliebiges gewünschtes Mesa und/oder Säulen mit einer Höhe von 50 μm zu bilden. Das Öffnen der Öffnungen wird nötigenfalls unter Verwendung von DRIE-Ätzung von der Unterseite des HFC-Wafers durchgeführt. Dadurch können gut definierte Öffnungen mit Seitenabmessungen von weniger als 10 μm erhalten werden. Die Öffnungen können genauer hergestellt werden, wenn ein dünner Si-Wafer als HFC-Chip verwendet wird, während der Deckelwafer dick bleiben kann, um dem Kopf mechanische Festigkeit zu verleihen.
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Der Si-Deckel wird durch Ätzen von Durchgangslöchern mit einem Durchmesser von 800 μm durch einen einseitig polierten Wafer hergestellt. Dann wird das Zusammenfügen der beiden Wafer durch Aufschleudern von ~3 μm eines Polyimid-Klebstoffs (HD Microsystems GmbH, Neu-Isenburg, Deutschland) auf die polierte Seite des Deckelwafers und anschließendes Ausrichten und Binden der beiden Wafer durchgeführt. Das Binden erfolgt bei 320°C mit 2 bar Druck für 10 Minuten (PRESSYS LE, Paul-Otto Weber GmbH, Remshalden, Deutschland). Anschließend können die MFP-Köpfe geschnitten und aufbewahrt werden.
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Das Befestigen der Anschlüsse kann unter Verwendung von Epoxy-Haftringen durchgeführt werden (NanoportTM-Assemblies von Upchurch Scientific, Ercatech, Bern, Schweiz, Epoxy-Haftringe werden angeboten). Die MFP-Köpfe können auch mit einer bearbeiteten Struktur befestigt werden, die einen Schlitz für den MFP-Kopf aufweist und innerhalb derer Schläuche an den MFP-Kopf gekoppelt werden (unter Verwendung eines O-Rings), um so die Verbindung zu vereinfachen. Die Verwendung von Standard-Anschlüssen und -Kupplungen anstelle von beispielsweise einem geformten PDMS-Block verringert die zum Zusammenbauen eines Kopfs erforderliche Arbeit. Die MFP-Köpfe werden vorzugsweise auf Leckage und Verstopfen geprüft, bevor die Anschlüsse tatsächlich befestigt werden, da Eindringen von Klebstoff in die Mikrokanäle nicht ausgeschlossen werden kann. Zu diesem Zweck kann eine Einweg-Pipettenspitze geschnitten werden, um der Größe der Durchgangslöcher zu entsprechen, und Flüssigkeit kann durch die Kanäle gedrückt werden, während mit einem Vergrößerungsglas beobachtet wird, ob Tröpfchen aus den Öffnungen austreten können, ohne an anderer Stelle zu lecken. Das Ausrichten der Anschlüsse mit den Durchgangslöchern kann schließlich manuell durchgeführt werden. Anschließend erfolgt Binden, beispielsweise ~1 Stunde bei 140°C auf einer Heizplatte oder in einem Ofen.
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In kurzer Beschreibung der photolithographischen Schritte kann die Herstellung eines mehrschichtigen MFP-Kopfs drei photolithographische Schritte (Aufschichten, Exponieren und Entwickeln eines Resists, gefolgt von Ätzen von Si) für den HFC-Chip und einen Schritt für den Si-Deckel aufweisen. Zum Vergleich benötigen monolithische MFP-Köpfe, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, drei Schritte. Die früheren Köpfe benötigten aber auch das Formen eines PDMS-Verbindungsblocks, der plasmabehandelt und an den Si-Chip gebunden werden musste, was zu den oben erörterten Nachteilen führt.
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Im Gegensatz zu der Verwendung eines PDMS-Verbindungsblocks liefert das hier beschriebene neue Herstellungsverfahren einen Si-Deckel mit großen Durchgangslöchern (beispielsweise im Bereich von 1 mm Durchmesser), die Strukturen zwischen den Anschlüssen und dem HFC-Chip verbinden. Andererseits weist der HFC-Chip alle Mikrostrukturen auf. Insbesondere stellen Mikrokanäle (beispielsweise an der Oberseite des HFC-Chips) Fluidverbindung zwischen den Durchgangslöchern und den Öffnungen her. Säulen um das Mesa, falls vorhanden, können als Nivellierungshilfen verwendet werden, wenn der MFP-Kopf für Experimente einjustiert wird.
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Wie vorstehend erörterte MFP-Köpfe sind insbesondere für Oberflächenbearbeitungs-Anwendungen von besonderem Nutzen. Im Vergleich zu biologischen Anwendungen behandeln diese potentiell kleinere Strukturen und einen breiteren Bereich an Flüssigkeiten und Chemikalien. Durch die Verwendung eines dünnen Si-Wafers (beispielsweise 100 μm dick) zum Herstellen des HFC-Chips können unter Verwendung von herkömmlichem DRIE oder eines fokussierten Innenstrahls gut definierte Öffnungen mit Seitenabmessungen von weniger als 10 μm hergestellt werden. Die mechanische Festigkeit des Kopfs wird nur von dem Si-Deckel bereitgestellt.
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Im Übrigen sind Mehrschicht-Köpfe, wie sie hierin erörtert werden, für die Verwendung vieler Arbeitsflüssigkeiten besser geeignet, da die Öffnungen klein sein und eng beieinander liegen können, wobei die horizontalen Mikrokanäle ausreichend auffächern, um genügend Platz zum Anfügen zahlreicher Anschlüsse auf dem Si-Deckel zu lassen.
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Allgemeiner hat die vorliegende MFP-Technologie ein Potential zum Strukturieren von Oberflächen, Bearbeiten von Materialien, Abscheiden oder Entfernen von Biomolekülen und Zellen auf Oberflächen, Analysieren von Zellen und Biomolekülen auf Oberflächen, Erzeugen chemischer Gradienten auf Oberflächen, Untersuchen komplexer biologischer Proben, wie z. B. Gewebeschnitte, und Erzeugen von Strukturen mit ungewöhnlichen Profilen, wie z. B. abgeschrägten Ausnehmungen.
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Nun werden weitere Ausführungsformen eines Mehrschicht-Kopfs mit Bezug auf 4 bis 11 erörtert.
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4 ist eine 3D-Ansicht eines MFP-Kopfs, dessen Gestaltung mit Öffnungen 121, 122, 221, 222 und entsprechenden Mikrokanälen versehen ist, die im Wesentlichen jenen von 2 oder 3 ähnlich sind. An der Deckschicht 110 werden Durchgangslöcher 111, 112 bereitgestellt. Ein weiteres Durchgangsloch 211, das gezeigt wird, erlaubt das Weiterführen von Fluidverbindung zu Immersionskanälen 223, 224 (hier wird nur ein Durchgangsloch bereitgestellt, das beide Immersionskanäle versorgt). Entsprechende Schlauchanschlüsse können bereitgestellt werden (nicht gezeigt). Die Kanäle haben Enden, die, wie vorstehend dargelegt, so angeordnet sind, dass sie den Durchgangslöchern gegenüber liegen.
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5 bis 10 sind schematische Ansichten möglicher Varianten, für die nur die Basisschicht 120 gezeigt wird. In allen Fällen erstrecken sich Mikrokanäle bis zu einer Seite der Basisschicht 120, vorzugsweise zu verschiedenen Seiten. Am Ende der Kanäle sind entsprechende Öffnungen gebildet. Derartige Ausführungsformen ermöglichen im Wesentlichen das Verzichten auf die eigene Herstellung von Öffnungen. Beispielsweise werden Mikrokanäle als Furchen graviert, die sich bis zu einer Kante (beispielsweise geschnitten) der Basisschicht 120 erstrecken und zu Öffnungen führen, ohne dass eine zusätzliche Bearbeitung erforderlich ist.
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Ferner sind bei jeder der Varianten von 5 bis 10 eine oder mehrere Immersionsöffnungen 221, 222 usw. bereitgestellt, die das Ausgeben von Immersionsflüssigkeit in der Nähe der Einspritz-/Absaugöffnungen 121, 122 erlauben. Das Arbeitsende des Kopfs ist „spitz” ausgeführt. Aufgrund der Aufbaukonfiguration kann man von „vertikalen” MFP-Köpfen sprechen. Die dargestellten Bauweisen stellen sicher, dass der Bereich nahe der Einspritz-/Absaugöffnungen in Immersionsflüssigkeit getaucht ist, beispielsweise für die ungestörte Flusseingrenzung der Arbeitsflüssigkeit. Typischerweise sind die Immersionsflüssigkeit-Öffnungen größer als die der Einspritz-/Absaugöffnungen. Beispielsweise sind die Ersteren wahrscheinlich zum Ausgeben von Mikrolitern an Flüssigkeit ausgelegt, während die Letzteren Picoliter ausgeben. Im Übrigen muss nur die Seite des Kopfs mit den Einspritz-/Absaugöffnungen 121, 122 poliert sein, die großen Immersionsflüssigkeit-Öffnungen müssen nicht poliert sein.
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Die dargestellten Strukturen werden leicht hergestellt. Für eine verbesserte Herstellungsausbeute kann Wachs in die Kanäle gefüllt werden, um Verstopfen durch Bruchstücke, die bei der Herstellung und dem Verpacken entstehen (Schneiden, Polieren), zu minimieren. In dieser Hinsicht kann festgestellt werden, dass zusätzliche Wachskanäle bereitgestellt werden könnten, die so angeordnet sein können, dass sie alle Mikrokanäle eines MFP-Kopfs verbinden. Ferner können mehrere MFP-Köpfe auf dem gleichen Substrat gefertigt werden, die alle mit einem einzigen „Wachsverteilungskanal” verbunden sind. Dann kann Wachs zugeführt werden, beispielsweise über den gleichen Wachszufuhranschluss, so dass geschmolzenes Wachs in alle Kanäle kriecht. Schließlich kann nach der Bearbeitung für Verpackung und Transport der MFP-Köpfe Wachs in dem Kanal zurückbleiben (Entwachsen wird dann leicht erzielt, wie z. B. für Pathologie-Anwendungen bekannt ist).
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Derartige Strukturen sind für jene Anwendungen gut geeignet, die schlanke und kompakte MFP-Köpfe benötigen (beispielsweise für Endoskopie-Anwendungen). Ferner wird ein kleiner Grundriss des MFP-Kopfs den Herstellungsausstoß erhöhen und die Kosten verringern.
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5 ist eine Ansicht, die neben Merkmalen der Mikrokanal-Abschnitte im Wesentlichen der Bauweise von 4 entspricht. Es werden Kanal-Enden 111', 112', 211' gezeigt, die den Durchgangslöchern 111, 112, 211 in 4 entsprechen.
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6 zeigt einen weiteren, asymmetrischen Aufbau, der ferner asymmetrische Strömungswiderstände aufweist, wie symbolisch bei Bezugszahl 224' gezeigt. Dabei kann das Entwerfen von MFP-Köpfen mit kompaktem Grundriss zum Kombinieren von Kanälen zu einem einzigen Pfad führen. Dies wird auch zu verkleinerten Grenzflächen führen. Bei kompakten Strukturen kann es aber erforderlich werden, die Symmetrie der Kanäle zu brechen (wie in 6), wodurch verschiedene Flüssigkeits-Flussraten entstehen. Dabei kann das Bereitstellen zusätzlicher Kompensatoren für den hydraulischen Widerstand (beispielsweise verschiedene Kanalgeometrien entlang des Flusswegs) hilfreich sein, um gleiche Widerstände in den Kanälen wiederherzustellen.
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Allgemeiner können zwei Mikrokanäle so gestaltet sein, dass sie verschiedene Flusswiderstände aufweisen. Die Flusswiderstände beeinflussen die Flussraten von Flüssigkeiten in den verschiedenen Flusswegen. Der charakteristische Flusswiderstand einer Struktur kann als das Verhältnis zwischen dem an einer (als nichtkomprimierbar angenommenen) Flüssigkeit anliegenden Druck und der Flussrate der Flüssigkeit in der Struktur definiert werden. Der Flusswiderstand eines Kanals wird hauptsächlich durch seine Abmessung und Form bestimmt, er kann aber auch von anderen Faktoren beeinflusst werden. Es gibt eine Analogie zwischen Flusswiderständen, Flussraten und Drucken und elektrischen Schaltkreisen, die unter Verwendung von elektrischen Widerständen, Strom und elektrischen Potentialen beschrieben werden: Kanäle mit gleichen Formen und Längen haben den gleichen Flusswiderstand.
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Hydraulische Kompensatoren (oder Kanäle mit unterschiedlichen Flusswiderständen) sind daher für Paare von asymmetrischen Kanälen, wie in dem in 7 gezeigten Fall, besonders von Nutzen. Hier ist der vertikale MFP für einen vertikal verringerten Grundriss ausgelegt, d. h. die vertikale Projektion des Kopfs auf die Oberfläche von Interesse ist klein und der Kopf kann ausgesparte Bereiche einer Oberfläche von Interesse erreichen.
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Mit Bezug auf 8 könnten auch Thermoelemente 401, 402 bereitgestellt werden, um einen oder mehrere Mikrokanäle zu heizen, beispielsweise die Immersionskanäle. Tatsächlich kann bei mehreren biologischen Anwendungen (beispielsweise der Handhabung von Zellen) eine temperaturgesteuerte Umgebung erforderlich sein. Dies kann durch die Immersionsflüssigkeit bereitgestellt werden. Um dies zu erreichen, können unter Verwendung bekannter Verfahren zum Herstellen von Elektroden Metallelektroden beispielsweise auf eine Glas-Deckschicht des MFP-Kopfs strukturiert werden. Thermoelemente/Elektroden können zum Heizen und zur Temperaturmessung der Immersionsflüssigkeit vor dem Ausgeben an das Substrat verwendet werden. Die Elektroden können auch verwendet werden, um Elektrochemie an den MFP-Köpfen, an der Grenzfläche oder an der Oberfläche des bearbeiteten Substrats durchzuführen.
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Es können mehr als ein oder zwei Immersionskanäle in Betracht gezogen werden, wie in 9 dargestellt. Hier grenzen zusätzliche Immersionskanäle 323, 324 an entsprechende Öffnungen 321, 322. Tatsächlich können manche Anwendungen mehrere Immersionsflüssigkeiten benötigen, um die Arbeitsflüssigkeit einzuschränken. Mögliche Szenarien sind (a) wenn die Arbeitslösung für das bearbeitete Substrat hochgradig korrosiv ist oder (b) bei der medizinischen Anwendung, wenn hochletale Arzneimittel auf einen kleinen Bereich eines Gewebes dosiert werden. In derartigen Fällen kann gewünscht werden, geringstmögliche Exposition von angrenzendem Gewebe durch Abschirmen mit mehreren Immersionsflüssigkeiten zu gewährleisten. Beispielsweise kann eine äußere Immersionsflüssigkeit Chemikalien enthalten, die sehr reaktionsfähige, in einer Arbeitsflüssigkeit vorhandene Spezies neutralisieren, während die innere Immersionsflüssigkeit als Trennmittel zwischen der Arbeitsflüssigkeit und der äußeren Immersionsflüssigkeit dienen kann. Unter Verwendung dieses Ansatzes können mehrere Reaktionen an verschiedenen (flüssigen) Grenzflächen durchgeführt werden.
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Während die meisten hierin erörtert Ausführungsformen Immersionskanäle an der gleichen (beispielsweise der oberen) Seite der Basisschicht 120 aufweisen, muss dies nicht immer so sein. Beispielsweise können Immersionskanäle Abschnitte aufweisen, die an anderen Seiten der Basisschicht angeordnet sind. Bei einer Variante werden Immersionskanäle nicht in der ebenen Oberfläche der Oberseite der Basisschicht gefertigt sondern stattdessen an Kanten davon oder nahe an Kanten der oberen Seite, wie in 10 dargestellt. Dies ist besonders bei Anwendungen von Nutzen, die den Grundriss der Immersionsflüssigkeit minimieren müssen. Ein Ansatz ist daher die Abgabe der Immersionsflüssigkeit in der nahen Umgebung der Einspritz-/Absaugöffnungen 121, 122 unter Verwendung von Kanälen, die durch die Herstellung von Furchen 223, 224 entlang von Kanten der oberen Seite des Kopfs hergestellt sind.
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Es können noch mehrere Varianten der vorstehenden Ausführungsformen in Betracht gezogen werden. Beispielsweise kann die Herstellung von Mikrokanälen so durchgeführt werden, dass sich ein Merkmal des Mikrokanals (d. h. der mittlere Querschnitt) entlang des Kanals kontinuierlich verändert. Daher kann das Merkmal im Einsatz eingestellt werden, indem einfach die beiden Schichten 110, 120, beispielsweise nach dem Zusammenfügen der Schichten, geschnitten werden.
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Dies wird in 11 schematisch dargestellt. Sie zeigt eigentlich eine Teil-Schnittansicht der MFP-Schicht parallel zu der mittleren Ebene einer der Schichten 110, 120. Insbesondere werden zwei Mikrokanäle 123, 124 gezeigt, deren Querschnitte im Verlauf zu der Seitenoberfläche 310 (im Schnitt gezeigt) abnehmen. Ferner werden verschiedene Schnittmarkierungen 410, 412, 420 gezeigt. Schneiden kann beispielsweise mithilfe einer Klinge, eines Mikrotoms, eines Schneid- oder Sägewerkzeugs durchgeführt werden.
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Die Seitenoberfläche 310 kann also entlang jeder der Markierungen 420 und entlang jedes Paars von Markierungen 410, 412 geschnitten oder abgetragen werden, wodurch verschiedene mögliche Öffnungsgrößen am Ende der Mikrokanäle entstehen. Die Bezugszahlen 121', 122' markieren Öffnungen vor dem Schneiden.
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Ferner kann auch der relative Abstand zwischen Mikrokanälen 123, 124 (und/oder 223, 224) variieren, so dass der relative Abstand zwischen Öffnungen nach dem Schneiden einfach eingestellt werden kann.
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Bei einer Variante werden durch Schneiden der Seitenoberfläche nur die Abmessungen der Öffnungen verändert, wie in 12 dargestellt, während der kleinste Abstand zwischen den beiden Kanälen gleich bleibt. Hier ist die Form des Querschnitts der Mikrokanäle so gestaltet, dass Schneiden des Rands hauptsächlich zum Modifizieren der Öffnungsgröße führt, während ihr relativer Abstand nicht wesentlich modifiziert werden wird. Eine weitere Variante würde aus dem alleinigen Einstellen des Abstands zwischen Öffnungen ohne Modifizieren ihrer Abmessungen bestehen.
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Ein Paar von Mikrokanälen kann sogar so eingraviert sein, dass es wie in 13 dargestellt eine gewünschte Krümmung an der Ebene der Kantenoberfläche 310 aufweist. Hier würde Schneiden der Kante 310 zum Modifizieren des Eintrittswinkels der Öffnungen führen. Somit kann der Einfallswinkel der Flüssigkeit bezüglich einer Probenoberfläche modifiziert werden. Dies beeinflusst die Wucht der Flüssigkeit, die von den Öffnungen ausgestoßen und eingesaugt wird, erheblich, was bei manchen Anwendungen von Nutzen sein kann.
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Allgemeiner können ein oder mehrere Mikrokanäle parallel zu der oberen Seite der Basisschicht 120 bis zu der Kante 310 so gefertigt werden, dass sich ein Merkmal davon (oder mehrere) entlang des Mikrokanals verändern. Wie vorstehend dargelegt, könnte dieses Merkmal ein relativer Abstand zwischen Mikrokanälen, der Öffnungswinkel der Mikrokanäle oder ein Gemisch davon sein. Im Ergebnis ermöglicht das Schneiden der Kante 310 das Einstellen von Merkmalen von Endöffnungen.
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Unter Herstellungsgesichtspunkten ist dies dahin gehend von Vorteil, dass nur ein Bautemplat für MFP-Schichten 110, 120 als Grundlage dienen kann, um verschiedene Endanordnungen von Öffnungen von MFP-Köpfen zu erzielen.
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Die Erfindung wurde mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben, dem Fachmann ist aber klar, dass verschiedene Veränderungen durchgeführt und Äquivalente ersetzt werden können, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Ferner können viele Modifikationen durchgeführt werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der vorliegenden Erfindung anzupassen, ohne deren Umfang zu verlassen. Somit ist vorgesehen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die bestimmte, offenbarte Ausführungsform beschränkt ist, sondern dass die vorliegende Erfindung alle Ausführungsformen umfasst, die in den Umfang der anhängenden Ansprüche fallen. Beispielsweise kann anstelle von Paaren von Anschlüssen, Durchgangslöchern und Öffnungen usw. ein Anschluss/Durchgangsloch für die Versorgung von zwei oder mehr Mikrokanälen bereitgestellt werden. Allgemeiner können verschiedene Kombinationen von Anschluss, Mikrokanal usw. in Betracht gezogen werden. Ferner wurde zwar der Begriff „Schicht” verwendet, es ist aber zu beachten, dass beispielsweise eine MFP-Basisschicht nicht „flach” sein muss. Beispielsweise könnte die Basisschicht ein Stab sein, der mit in die Außenoberfläche gravierten Mikrokanälen versehen ist. Die Kanäle könnten dann mit einer darauf aufgebrachten konzentrischen Schicht abgeschlossen werden. Die Basisschicht muss jedoch nicht notwendigerweise mit einer zweiten Schicht abgeschlossen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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