-
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
-
Mikrofluidvorrichtungen und -verfahren sind von großer und wachsender Bedeutung für die biomedizinische und pharmazeutische Forschung. Mikrofluidtechnik wird angewendet, um feine Chemikalien und Pharmazeutika sequenziell zu synthetisieren oder chargenweise zu synthetisieren. Durchflussmikroreaktoren werden unter anderem dazu verwendet, um einzelne chemische Prozesse im Nanoliter- bis Mikrolitermaßstab zu manipulieren, mit dem Vorteil eines besseren Wärmeübertragungsverhaltens, kürzerer Diffusionszeiten und schnellerer Reaktionskinetik und verbesserter Produktselektivität.
-
Synthesemodule im großen Maßstab wurden entwickelt und werden für die Herstellung einer Reihe von radiopharmazeutischen Verbindungen verwendet. Jedoch nehmen solche Module und Reaktoren viel Raum ein, verbrauchen häufig größere Mengen an Reaktionsmitteln als gewünscht, und der chemische Prozess benötigt längere Reaktionszyklen als gewünscht, um die markierten Verbindungen herzustellen.
-
KURZBESCHREIBUNG
-
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Mikrofluidchip offenbart. Der Chip weist eine Mehrzahl von Reaktionsmittelquellen für die Lieferung einer Mehrzahl von Reaktionsmitteln auf, wobei jede Reaktionsmittelquelle ein entsprechendes Reaktionsmittel von der Mehrzahl von Reaktionsmitteln liefert. Der Chip weist auch eine Makrokammer auf, um eines oder mehrere Reaktionsmittel von der Mehrzahl von Reaktionsmitteln aus der Mehrzahl von Reaktionsmittelquellen aufzunehmen. Der Chip weist ferner einen Mikrofluidreaktor auf, der mit der Makrokammer und der Mehrzahl von Reaktionsmittelquellen verbunden ist und so gestaltet ist, dass er zwei oder mehr Reaktionsmittel von der Mehrzahl von Reaktionsmitteln aus mindestens einer von der Makrokammer, der Mehrzahl von Reaktionsmittelquellen aufnimmt und die zwei oder mehr Reaktionsmittel miteinander reagieren lässt, um einen Reaktionsinhalt zu erzeugen.
-
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein zugehöriges Verfahren offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Liefern von zwei oder mehr Reaktionsmitteln von einer Mehrzahl von Reaktionsmitteln aus einer Mehrzahl von Reaktionsmittelquellen in eine Makrokammer. Das Verfahren beinhaltet auch das Liefern von zwei oder mehr Reaktionsmitteln von einer Mehrzahl von Reaktionsmitteln aus mindestens einer von der Makrokammer, der Mehrzahl von Reaktionsmittelquellen zu einem Mikrofluidreaktor. Das Verfahren beinhaltet ferner das Umsetzen von zwei oder mehr Reaktionsmitteln von der Mehrzahl von Reaktionsmitteln im Mikrofluidreaktor, um einen Reaktionsinhalt zu erzeugen; wobei die Makrokammer und der Mikrofluidreaktor in einem Mikrofluidchip angeordnet sind.
-
ZEICHNUNGEN
-
Diese und andere Merkmale und Aspekte von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich werden, wenn die folgende ausführliche Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen gelesen wird, wobei gleiche Zeichen Teile bezeichnen, die in allen Zeichnungen gleich sind, und wobei:
-
1 eine schematische Darstellung eines Mikrofluidchips ist, der eine Makrokammer, eine Mischvorrichtung, eine Fluidkammer und einen Mikrofluidreaktor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist;
-
2 eine schematische Darstellung eines Mikrofluidchips ist, der eine Makrokammer, eine Mischvorrichtung, eine Fluidkammer und einen Mikrofluidreaktor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist;
-
3 eine schematische Darstellung eines Mikrofluidchips ist, der eine Makrokammer, eine Mischvorrichtung, eine Fluidkammer und einen Mikrofluidreaktor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist;
-
4 eine detaillierte schematische Darstellung eines Mikrofluidchips gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
-
5 eine schematische Darstellung eines Mikrofluidchips gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist, der einen Sensor zum Erfassen des Vorhandenseins von Flüssigkeit oder Gas aufweist; und
-
6 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Kanals in einem Mikrofluidchip ist, der eine optische Sensortechnik gemäß einem Ausführungsbeispiel von 5 verwendet.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
-
Wie nachstehend ausführlich offenbart wird, offenbaren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen Mikrofluidchip. Der Mikrofluidchip weist eine Mehrzahl von Reaktionsmittelquellen, eine Makrokammer und einen Mikrofluidreaktor auf. Die Makrokammer nimmt eines oder mehrere Reaktionsmittel von der Mehrzahl von Reaktionsmitteln aus der Mehrzahl von Reaktionsmittelquellen auf. Der Mikrofluidreaktor ist mit der Makrokammer und der Mehrzahl von Reaktionsmittelquellen verbunden und ist so gestaltet, dass er zwei oder mehr Reaktionsmittel von der Mehrzahl von Reaktionsmitteln aus mindestens einer von der Makrokammer, der Mehrzahl von Reaktionsmittelquellen aufnimmt, die zwei oder mehr Reaktionsmittel miteinander reagieren lässt, um einen Reaktionsinhalt zu erzeugen, und den Reaktionsinhalt zur Makrokammer liefert. In manchen Ausführungsformen kann der Mikrofluidchip eine Mehrzahl von Elementen aufweisen, wobei jedes Element eine Makrokammer, eine Mischvorrichtung und den Mikrofluidreaktor aufweist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betätigen des Mikrofluidchips offenbart.
-
Mit Bezug auf 1 wird ein Mikrofluidchip 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung offenbart. In der dargestellten Ausführungsform weist der Mikrofluidchip 10 eine Makrokammer 12, eine Mischvorrichtung 14, eine Fluidkammer 16 und einen Mikrofluidreaktor bzw. Reaktor 18 auf. Die Makrokammer 12 wird verwendet, um eines oder mehrere Reaktionsmittel vorübergehend zu speichern, oder um mit Vorteil Operationen in einer Größendomäne durchzuführen, wo Schwerkraft, Masse und andere Makroeffekte Phänomene dominieren, die im Mikromaßstab überwiegen, wie beispielsweise Viskosität und Oberflächenspannung, z. B. Bläschenextraktion in einen Kopfraum, Sieden, Flüssigphasenextraktion, Sedimentation oder dergleichen. In einer Ausführungsform beinhaltet die Makrokammer 12 eine azeotrope Kammer. In anderen Ausführungsformen kommen andere Arten von Makrokammern in Betracht. Die Mischvorrichtung 14 ist mit der Makrokammer 12 verbunden und so gestaltet, dass sie zwei oder mehr Reaktionsmittel vermischt und eine Mischung aus zwei oder mehr Reaktionsmitteln erzeugt. Die Fluidkammer 16 wird verwendet, um ein Markerfluid zu speichern. In einer bestimmten Ausführungsform ist das Markerfluid ein Gaspfropfen. In einer anderen Ausführungsform ist das Markerfluid eine fluoreszierende Flüssigkeit mit Eigenschaften, die im Vergleich zum Gaspfropfen anders sind. In der dargestellten Ausführungsform ist der Mikrofluidreaktor 18 über die Mischvorrichtung 14 und die Fluidkammer 16 mit der Makrokammer 12 verbunden. Der Mikrofluidreaktor 18 ist so gestaltet, dass er die Mischung aus zwei oder mehr Reaktionsmitteln aus der Makrokammer 12 empfängt und einen Reaktionsinhalt erzeugt. Die Reaktionsmittel können flüssige Reaktionsmittel, gasförmige Reaktionsmittel oder Kombinationen davon beinhalten. In bestimmten Ausführungsformen kann die Makrokammer 12 in den Mikrofluidreaktor 18 integriert sein.
-
In einer Ausführungsform ist die Mischvorrichtung 14 so gestaltet, dass sie zwei oder mehr Reaktionsmittel aus einer Mehrzahl von Reaktionsmittelquellen empfängt und die zwei oder mehr Reaktionsmittel vermischt, um eine Mischung aus zwei oder mehr Reaktionsmitteln zu erzeugen. Man beachte, dass dabei alle Arten von Mischvorrichtungen verwendet werden können. In einer bestimmten Ausführungsform wird die Mischung aus zwei oder mehr Reaktionsmitteln aus der Mischvorrichtung 14 in die Makrokammer 12 geliefert. In einer spezielleren Ausführungsform wird die Mischung aus zwei oder mehr Reaktionsmitteln aus der Mischvorrichtung 14 in den Mikrofluidreaktor 18 geliefert.
-
In einer anderen Ausführungsform ist die Mischvorrichtung 14 so gestaltet, dass sie zwei oder mehr Reaktionsmittel aus der Makrokammer 12 empfängt, die zwei oder mehr Reaktionsmittel mischt, um die Mischung aus zwei oder mehr Reaktionsmitteln zu erzeugen, und dann die Mischung aus zwei oder mehr Reaktionsmitteln in die Makrokammer 12 liefert. In einer bestimmten Ausführungsform wird die Mischung aus zwei oder mehr Reaktionsmitteln aus der Mischvorrichtung 14 in den Mikrofluidreaktor 18 geliefert.
-
In einer Ausführungsform ist die Mischvorrichtung 14 in die Makrokammer 12 integriert und so gestaltet, dass sie die zwei oder mehr Reaktionsmittel in der Makrokammer 12 mischt. In einer anderen Ausführungsform ist die Mischvorrichtung 14 eine Gasbeschickungsquelle, die so gestaltet ist, dass sie Gasbläschen zur Makrokammer 12 liefert, um ein Mischen der zwei oder mehr Reaktionsmittel, die in der Makrokammer 12 gespeichert sind, zu ermöglichen. In einer bestimmten Ausführungsform kann in der Mischvorrichtung 14 ein Rühren mit Ultraschall durchgeführt werden, um die zwei oder mehr Reaktionsmittel zu mischen. In einer anderen Ausführungsform ist die Mischvorrichtung 14 in den Mikrofluidreaktor 18 integriert und so gestaltet, dass sie zwei oder mehr Reaktionsmittel im Mikrofluidreaktor 18 mischt.
-
In der dargestellten Ausführungsform wird der Mikrofluidreaktor 18 während des Betriebs des Mikrofluidchips 10 auf einer ersten Temperatur gehalten, und die Makrokammer 12 wird auf einer zweiten Temperatur gehalten, die wesentlich niedriger ist als die erste Temperatur. In einer anderen Ausführungsform kann der Mikrofluidreaktor 18 auf einer niedrigeren Temperatur gehalten werden als die Makrokammer 12 oder so angetrieben werden, dass seine Temperatur allmählich steigt oder sinkt. In einer bestimmten Ausführungsform können der Mikrofluidreaktor 18 und die Makrokammer 12 auf der gleichen Temperatur (einer vorgegebenen Temperatur) gehalten werden. In einer Ausführungsform wird der Reaktionsinhalt aus dem Mikrofluidreaktor 18 zur Makrokammer 12 geliefert. In einer anderen Ausführungsform wird der Reaktionsinhalt vorübergehend im Mikrofluidreaktor 18 gespeichert und nicht zur Makrokammer 12 geliefert. Der Mikrofluidreaktor 18 weist eine Mäandergestalt auf mit einem hohen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. In manchen Ausführungsformen weist der Mikrofluidreaktor 18 eine relativ große Wärmespeichermasse auf, damit gespeicherte Wärme zum Erwärmen des Inhalts im Mikrofluidreaktor 18 verwendet werden kann. In anderen Ausführungsformen weist der Reaktor 18 dünne Wände auf, um eine gute Wärmeübertragung zu oder von einer Wärmequelle oder -senke zu ermöglichen. Eine gute Wärmeleitfähigkeit des Substratmaterials ist sowohl für die Gestaltung mit der großen Wärmespeichermasse als auch für die dünnwandige Gestaltung des Reaktors 18 bevorzugt. In bestimmten Ausführungsformen kann der Reaktor 18 optional transparent sein und kann für eine induktive Erwärmung, eine elektromagnetische oder optisch-resistive Erwärmung verwendet werden.
-
Mit Bezug auf 2 werden der Mikrofluidchip 10 und ein zugehöriges Verfahren zu dessen Betrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung offenbart. Wie bereits erörtert worden ist, weist der Mikrofluidchip 10 die Makrokammer 12, die Mischvorrichtung 14, die Fluidkammer 16 und den Mikrofluidreaktor 18 auf. In der dargestellten Ausführungsform werden zwei Reaktionsmittel 20, 22 in die Makrokammer 12 geliefert. In anderen Ausführungsformen kommen mehr als zwei Reaktionsmittel in Betracht. In einer Ausführungsform werden die zwei Reaktionsmittel 20, 22 gleichzeitig in die Makrokammer 12 geliefert. In einer anderen Ausführungsform werden die zwei Reaktionsmittel 20, 22 nacheinander in die Makrokammer 12 geliefert. Die beiden Reaktionsmittel 20, 22 werden dann aus der Makrokammer 12 in die Mischvorrichtung 14 geliefert. Die beiden Reaktionsmittel 20, 22 werden in der Mischvorrichtung 14 gemischt, um eine Reaktionsmittelmischung 24 zu erzeugen. Die Reaktionsmittelmischung 24 wird dann aus der Mischvorrichtung 14 in die Makrokammer 12 geliefert. In einer Ausführungsform kann die Mischvorrichtung 14 in der Makrokammer 12 angeordnet sein, um ein Mischen der Reaktionsmittel in der Makrokammer 12 zu ermöglichen. In einer anderen Ausführungsform wird die Reaktionsmittelmischung 24 aus der Mischvorrichtung 14 in den Mikrofluidreaktor 18 geliefert. Die Mischvorrichtung 14 kann eine Gasbläschenquelle, einen magnetischen Rührstab, eine Aufteilungs- und Wiedervereinigungsstruktur, eine Struktur oder einen Prozess zur Maximierung des Grenzflächeninhalts oder dergleichen beinhalten. In einer Ausführungsform kann die Mischvorrichtung 14 im Mikrofluidreaktor 18 angeordnet sein, um ein Mischen der Reaktionsmittel im Reaktor 18 zu ermöglichen.
-
Nachdem die Reaktionsmittelmischung 24 in der Makrokammer 12 erzeugt worden ist oder aus anderen Gründen in der Makrokammer 12 vorhanden ist, wird in der dargestellten Ausführungsform ein Verdrängungsfluid 26 aus einer Fluidquelle 28 zur Makrokammer 12 geliefert, um die Reaktionsmittelmischung 24 über die Fluidkammer 16 aus der Makrokammer 12 in den Mikrofluidreaktor 18 zu drängen (positive oder negative Volumenverdrängung). Das Verdrängungsfluid 26 kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Die Reaktionsmittelmischung 24 wird als „Propf” transportiert, der zwischen dem Markerfluid aus der Fluidkammer 16 und dem zugeführten Verdrängungsfluid 26 angeordnet ist. In einer anderen Ausführungsform wird kein Pfropf zwischen dem Markerfluid und dem Verdrängungsfluid 26 transportiert, sondern es kann unter Druck gepumpt werden, um die Reaktionsmittelmischung 24 aus der Makrokammer 12 in den Mikrofluidreaktor 18 zu überführen. In einer anderen Ausführungsform kann ein positiver oder negativer Druck an einem Zugangsende 11 der Makrokammer 11 angelegt werden, um Inhalt aus der Kammer 11 zu verdrängen. In einer noch anderen Ausführungsform kann ein positiver oder negativer Druck an einem Ausgangsende 13 der Makrokammer 11 angelegt werden, um Inhalt aus der Kammer 11 zu verdrängen. In anderen Ausführungsformen können Kombinationen aus positiven und negativen Drücken gleichzeitig am Zugangsende 11 und am Ausgangsende 13 angelegt werden, um den Strom zu steuern. Die Reaktionsmittelmischung 24 wird dann im Mikrofluidreaktor 18 umgesetzt, um einen Reaktionsinhalt 30 zu erzeugen. Der Reaktionsinhalt 30 kann dann aus dem Mikrofluidreaktor 18 in die Makrokammer 12 überführt werden. Mehr Reaktionsmittel können in die Makrokammer 12 geliefert werden, mit dem Reaktionsinhalt vermischt werden und dann in den Mikrofluidreaktor 18 gedrängt werden wie oben beschrieben. Der Prozess kann so oft wiederholt werden wie nötig. In manchen Ausführungsformen kann es sein, dass der Reaktionsinhalt 30 nicht in die Makrokammer 12 zurück geliefert wird, um etwaige wasserempfindliche Reaktionen des Reaktionsinhalts 30 wegen eines vorangehenden Schrittes, in dem Wasser verwendet wird, zu vermeiden. Stattdessen kann der Inhalt 30 auf einen anderen Chip 10 weitergeleitet werden, der auf dem Substrat derselben Vorrichtung integriert ist oder mit dem Substrat einer anderen Vorrichtung verbunden ist.
-
Mit Bezug auf 3 werden der Mikrofluidchip 10 und ein zugehöriges Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung offenbart. Wie bereits erörtert worden ist, weist der Mikrofluidchip 10 die Makrokammer 12, die Mischvorrichtung 14, die Fluidkammer 16 und den Mikrofluidreaktor 18 auf. In einer anderen Ausführungsform werden die zwei Reaktionsmittel 20, 22 nacheinander oder gleichzeitig zur Mischvorrichtung 14 geliefert. In anderen Ausführungsformen kommen mehr als zwei Reaktionsmittel in Betracht. Die beiden Reaktionsmittel 20, 22 werden in der Mischvorrichtung 14 gemischt, um eine Reaktionsmittelmischung 24 zu erzeugen. Die Reaktionsmittelmischung 24 wird dann aus der Mischvorrichtung 14 in die Makrokammer 12 geliefert. In einer Ausführungsform kann die Mischvorrichtung 14 in der Makrokammer 12 angeordnet sein, um ein Mischen der Reaktionsmittel in der Makrokammer 12 zu ermöglichen. In einer anderen Ausführungsform wird die Reaktionsmittelmischung 24 aus der Mischvorrichtung 14 in den Mikrofluidreaktor 18 geliefert. Ähnlich wie in der Ausführungsform von 2 können dann der Reaktionsinhalt 30 und/oder zusätzliche Reaktionsmittel zwischen dem Mikrofluidreaktor 18 und der Makrokammer 12 verdrängt werden. In bestimmten Ausführungsformen kann es sein, dass der Chip 10 keine Mischvorrichtung 14 und keine Fluidkammer 16 aufweist.
-
Gemäß den hierin erörterten Ausführungsformen wird die Makrokammer typischerweise kühler gehalten als der Mikrofluidreaktor, um reaktive Bedingungen zu vermeiden. Der Mikrofluidreaktor kann auf eine gewünschte Temperatur vorgewärmt werden, so dass eine Reaktion initiiert wird oder mit einer nötigen Geschwindigkeit fortschreitet, während sich die Reaktionsmittel im Mikrofluidreaktor befinden. Nach Abschluss der gewünschten Reaktion im Mikrofluidreaktor kann Inhalt im Mikrofluidreaktor zur Makrokammer transportiert werden. Ein solcher Prozess kann mehrmals wiederholt werden, wobei in jedem Schritt zusätzliche Reaktionsmittel zur Makrokammer hinzugegeben werden.
-
Mit Bezug auf 4 wird eine detaillierte Ansicht eines Mikrofluidchips 32, der mit einer Mehrzahl von Reaktionsmittelquellen 34, 36, 38, 40, 42 verbunden ist, offenbart. Man beachte dabei, dass die Gestaltung des Mikrofluidchips 32, der Verbindung der Reaktionsmittelquellen 34, 36, 38, 40, 42 mit dem Mikrofluidchip 32 und die Anzahl der Reaktionsmittelquellen in anderen Ausführungsformen je nach Bedarf variieren kann.
-
In der dargestellten Ausführungsform weist der Mikrofluidchip 32 eine Makrokammer 44, eine Mischvorrichtung 46, eine Fluidkammer 48 und einen Mikrofluidreaktor bzw. Reaktor 50 auf. Die Makrokammer 44 und die Mischvorrichtung 46 sind über einen Strömungsweg 52 mit der Fluidkammer 48 und dem Fluidreaktor 50 verbunden.
-
Eine Reaktionsmittelquelle 34 ist an einem Punkt, der dem Mikrofluidreaktor 50 vorgelagert ist, mit dem Strömungsweg 52 verbunden. Die anderen Reaktionsmittelquellen 36, 38, 40, 42 sind jeweils über Strömungswege 58, 60, 62, 64 an einem Punkt, welcher der Fluidkammer 48 nachgelagert ist, mit dem Strömungsweg 52 verbunden. Verbindungen zwischen dem Chip und einer externen Quelle, 66, 68, 70, 72, 74, sind in den Strömungswegen 52, 58, 60, 62, 64 vorgesehen, um Reaktionsmittel aus der Mehrzahl von Reaktionsmittelquellen 34, 36, 38, 40, 42 zu leiten. Eine Fluidquelle 76 ist an einem Punkt zwischen dem Mikrofluidreaktor 50 und der Fluidkammer 48 über einen Strömungsweg 78 mit dem Strömungsweg 52 verbunden. Der Strömungsweg 78 ist mit Steuerventilen 80, 82 versehen, um den Strom des Markerfluids zu steuern. in der dargestellten Ausführungsform ist der Strömungsweg 78 über einen Strömungsweg 84, der mit einem Drosselventil 86 versehen ist, auch mit der Makrokammer 44 verbunden.
-
Ähnlich wie in den oben erörterten Ausführungsformen wird die Makrokammer 44 verwendet, um die Reaktionsmittel aus den Reaktionsmittelquellen 34, 36, 38, 40, 42 vorübergehend zu speichern oder einen Prozess auszuführen, der vorteilhafterweise im Makro- oder oberhalb des Mikromaßstabs stattfindet, wo andere physikalische Phänomene in der Fluiddynamik dominieren. Die Mischvorrichtung 46 ist mit der Makrokammer 44 verbunden und so gestaltet, dass sie die Reaktionsmittel vermischt und eine Mischung aus den Reaktionsmitteln erzeugt.
-
In einer Ausführungsform ist die Mischvorrichtung 46 so gestaltet, dass sie zwei oder mehr Reaktionsmittel aus der Mehrzahl von Reaktionsmittelquellen 34, 36, 38, 40, 42 empfängt und die zwei oder mehr Reaktionsmittel vermischt, um eine Mischung aus zwei oder mehr Reaktionsmitteln zu erzeugen. In einer bestimmten Ausführungsform wird die Mischung aus zwei oder mehr Reaktionsmitteln aus der Mischvorrichtung 14 in die Makrokammer 44 geliefert. In einer spezielleren Ausführungsform wird die Mischung aus zwei oder mehr Reaktionsmitteln aus der Mischvorrichtung 14 in den Mikrofluidreaktor 50 geliefert.
-
In einer anderen Ausführungsform ist die Mischvorrichtung 46 so gestaltet, dass sie zwei oder mehr Reaktionsmittel aus der Makrokammer 44 empfängt, die zwei oder mehr Reaktionsmittel mischt, um die Mischung aus zwei oder mehr Reaktionsmitteln zu erzeugen, und dann die Mischung aus zwei oder mehr Reaktionsmitteln in die Makrokammer 44 liefert. In einer bestimmten Ausführungsform wird die Mischung aus zwei oder mehr Reaktionsmitteln aus der Mischvorrichtung 46 in den Mikrofluidreaktor 50 geliefert.
-
Die Fluidkammer 48 wird verwendet, um Markerfluid, das aus der Fluidquelle 76 geliefert wird, zu speichern. Der Mikrofluidreaktor 50 ist so gestaltet, dass er die Mischung aus zwei oder mehr Reaktionsmitteln aus der Makrokammer 42 oder aus den Reaktionsmittelquellen 34, 36, 38, 40, 42 empfängt und einen Reaktionsinhalt erzeugt. In einer Ausführungsform wird der Reaktionsinhalt aus dem Mikrofluidreaktor 18 in die Makrokammer 44 geliefert. In einer anderen Ausführungsform wird der Reaktionsinhalt vorübergehend im Mikrofluidreaktor 50 gespeichert und nicht in die Makrokammer 44 geliefert.
-
Nachdem die Reaktionsmittelmischung in der Makrokammer 44 erzeugt worden ist, kann in der dargestellten Ausführungsform ein Verdrängungsfluid aus einer Fluidquelle 76 in die Makrokammer 44 geliefert werden, um die Reaktionsmittelmischung aus der Makrokammer 44 über die Fluidkammer 48 in den Mikrofluidreaktor 50 zu drängen. Die Reaktionsmittelmischung wird als „Propf” transportiert, der zwischen dem Markerfluid aus der Fluidkammer 48 und dem zugeführten Verdrängungsfluid angeordnet ist. Der Mikrofluidchip 32 weist ferner einen Sensor 88 auf zum Abfühlen der Grenzfläche zwischen dem Markerfluid, der Reaktionsmittelmischung und dem Verdrängungsfluid. Der Sensor 88 kann ein optischer Sensor, ein Strahlungssensor, ein akustischer Sensor, eine Wärmeleitfähigkeitssensor, ein elektrischer Widerstands- oder Impedanzsensor oder ein elektromagnetischer Sensor sein. Anders ausgedrückt kann der Sensor 88 jede Art von Sensor sein, der eine Eigenschaft unterscheiden kann, die zwischen einem Probenpfropf und einem Start- und Endmaterial, das den Probenpropf begrenzt, verschieden ist. Ein Steuersystem 90 empfängt ein Ausgangssignal vom Sensor 88 und steuert die Mehrzahl von Drosselvorrichtungen und Steuerventilen, die hierin erörtert sind, um den Strom der Reaktionsmittel und des Reaktionsinhalts zwischen der Mehrzahl von Quellen 34, 36, 38, 40, 42, der Makrokammer 44, der Mischvorrichtung 46 und dem Mikrofluidreaktor 50 zu steuern bzw. zu regeln. In der dargestellten Ausführungsform ist das Steuersystem 90 ein geschlossenes Regelsystem. In einer anderen bestimmten Ausführungsform kann es sein, dass der Chip 32 keinen Sensor 88 aufweist, und das Steuersystem 90 kann ein offenes Steuersystem sein.
-
Der Reaktionsinhalt aus dem Mikrofluidreaktor 50 kann über die Strömungswege 52, 94 zu einer Produktkammer 92 geliefert werden. Der Strömungsweg 94 ist mit einem Steuerventil 96 und einer Drosselvorrichtung 98 versehen, um den Strom des Reaktionsinhalts, der vom Mikrofluidreaktor 50 zur Produktkammer 92 geliefert wird, zu steuern bzw. zu regeln. Ein Abproduktinhalt aus dem Mikrofluidreaktor 50 kann über die Strömungswege 100, 102 in eine Abproduktkammer 104 geliefert werden. Die Wege 100, 102 sind mit einem Drosselventil 106 bzw. einer Drosselvorrichtung 108 versehen, Der Strömungsweg 78 ist über einen anderen Strömungsweg 110, der mit einem Drosselventil 112 versehen ist, auch mit dem Strömungsweg 100 verbunden. Der Strömungsweg 102 aus der Abproduktkammer 104 ist ebenfalls mit der Makrokammer 44 verbunden. Der Strömungsweg 102 ist auch mit einem Steuerventil 114 verbunden. Der Strömungsweg 52 weist ferner ein Drosselventil 116 auf und ist mit dem Strömungsweg 102 verbunden. Man beachte dabei, dass die Mehrzahl der hierin erörterten Steuerventile On-Chip-Ventile sind. In manchen Ausführungsformen können die Steuerventile Off-Chip-Ventile sein.
-
Mit Bezug auf 5 werden ein Abschnitt eines Mikrofluidchips 118 und ein zugehöriges Verfahren offenbart. Man beachte dabei, dass der hierin offenbarte Chip 118 ein Ausführungsbeispiel ist und dass die Anzahl und die Stellen der verschiedenen Komponenten im Chip 118 je nach Anwendung variieren können. In der dargestellten Ausführungsform weist der Chip 118 eine Fluidkammer 120 und eine Mehrzahl von Mikrofluidreaktoreinheiten 122, 123, 125 auf, die mit einem Kanal 124 verbunden sind. Ein Steuerventil 126 ist in einem Strömungskanal 128 vorgesehen, der an einer Stelle zwischen der Fluidkammer 120 und den Reaktoren 122, 123, 125 mit dem Kanal 124 verbunden ist. Eine Schaltvorrichtung 127 kann verwendet werden, um einen Strom aus einer Makrokammer über den Kanal 124 zu der Mehrzahl von Reaktoren 122, 123, 125 zu steuern. Ein Drosselventil 130 ist in einem Abproduktkanal 132 vorgesehen, der mit dem Kanal 124 verbunden ist. Ein anderes Drosselventil 136 ist stromabwärts von den Mikrofluidreaktoren 122, 123, 125 im Kanal 124 vorgesehen.
-
Zu Anfang wird ein Reaktionsmittel über einen Kanal 134 gepumpt, um den Kanal 124 vorzubereiten. Die Ventile 126 und 136 werden geschlossen und das Ventil 130 wird geöffnet, um etwaige überschüssige Reaktionsmittelströme durch den Abproduktkanal 132 abfließen zu lassen. Dann werden die Ventile 126, 130 geschlossen und das Ventil 136 wird geöffnet. Eine Verdrängungsflüssigkeit wird durch den Kanal 124 gepumpt, und strömt durch die Reaktoren 122, 123, 125 nach außen. Dann wird das Ventil 136 geschlossen und die Ventile 126, 130 werden geöffnet. Markerfluid wird durch den Kanal 128 geliefert, um die Fluidkammer 120 zu füllen. Der überschüssige Markerfluidstrom kann durch den Kanal 132 geleitet werden. Der Chip 118 ist nun vorbereitet. Danach werden die Ventile 126, 130 geschlossen und das Reaktionsmittel, gefolgt vom Verdrängungsfluid, wird auf solche Weise durch die Kanäle 134, 124, die Fluidkammer 120 zu den Reaktoren 122, 123, 125 geliefert, dass sich Markerfluid stromaufwärts und stromabwärts vom Reaktionsmittel befindet. Man beachte dabei, dass die hierin offenbarte Abfolge der Schritte ein Ausführungsbeispiel ist und je nach Anwendung variieren kann. Wenn das Reaktionsmittel und das Markerfluid die Reaktoren 122, 123, 125 verlassen, kann das Markerfluid von einem Sensor 138 erfasst werden, beispielsweise einem optischen Sensor, wie in 4 dargestellt ist. In bestimmten Ausführungsformen kann der Sensor 138 ein elektrischer Sensor, ein akustischer Sensor, ein magnetischer Sensor, ein radioaktiver Sensor oder dergleichen sein. Die Sensorausgabe ermöglicht eine geschlossene Regelung der verschiedenen Komponenten des Chips 118. In manchen Ausführungsformen wird das Reaktionsmittel als Pfropf zwischen dem Markerfluid und einer Verdrängungsflüssigkeit transportiert. In bestimmten anderen Ausführungsformen wird das Reaktionsmittel als Pfropfen zwischen Markerfluid sowohl auf seiner Vorderseite als auch auf seiner Rückseite transportiert. In solchen Ausführungsformen verhindert das Markerfluid auf der Rückseite eine Vermischung des Reaktionsmittelpfropfens und des Verdrängungsfluids, um eine Verdünnung des Reaktionsmittels zu vermeiden. In einer speziellen Ausführungsform kann mit Fluoroeszenzfarbstoff markierte Flüssigkeit verwendet werden.
-
Das Volumen des Markerfluids, das durch den Kanal 128 geliefert wird, kann anhand von On-Chip-Ventilen gesteuert werden. Das Markerfluid wird entweder in einem Pumpmodus oder in einem Saugmodus geliefert. Die Steuerung des Volumens des zugeführten Markerfluids erleichtert die Steuerung des Stroms von begrenzten Reaktionsmittelmengen im Chip 118.
-
Mit Bezug auf 6 wird ein Abschnitt 140 des Kanals 124 stromabwärts vom Reaktor gemäß einer Ausführungsform von 5 offenbart. In der dargestellten Ausführungsform kann ein Abschnitt 140 des Kanals 124 zu einem bestimmten Zeitpunkt mit einem flüssigen Reaktionsmittel oder Gas gefüllt sein. Der Sensor, beispielsweise ein optischer Sensor, wird verwendet, um das Vorhandensein von Gas oder Flüssigkeit im Abschnitt 140 des Kanals 124 zu erfassen. Wenn der Abschnitt 140 des Kanals 124 mit Flüssigkeit gefüllt ist, die einen Brechungsindex nahe dem des Materials des Kanalabschnitts 140 aufweist, werden Lichtstrahlen durch den Abschnitt 140 des Kanals 124 durchgelassen, wie von einem Pfeil 142 angegeben, da die Brechung der Flüssigkeit dem Brechungsindex des Kanals 124 fast gleich ist. Wenn der Abschnitt 140 des Kanals 124 mit einem Gas gefüllt ist, werden Lichtstrahlen vom Abschnitt 140 des Kanals 124 reflektiert, wie von einem Pfeil 144 angegeben, da sich die Brechung der Flüssigkeit vom Brechungsindex des Kanals 124 stark unterscheidet. In anderen Ausführungsformen können die Sensoren auf ähnliche Weise an jeder anderen geeigneten Stelle des Mikrofluidchips verwendet werden. In bestimmten Ausführungsformen kann der Sensor, wie oben beschrieben, ein elektrischer Sensor, ein akustischer Sensor, ein magnetischer Sensor, ein radioaktiver Sensor oder dergleichen sein.
-
Gemäß den oben erörterten Ausführungsformen wird für den Mikrofluidchip eine „Schaukel”-Gestaltung verwendet, wobei Reaktionsmittel/Reaktionsgehalt zwischen der Makrokammer und dem Mikrofluidreaktor hin und her transportiert werden können. Bei einer solchen Gestaltung werden komplexe mehrstufige Reaktionen innerhalb eines kompakten Chips durchgeführt. Eine solche Gestaltung vermeidet die Notwendigkeit eines separaten Reaktors für jeden Schritt und bietet den Vorteil von Mikro- und Makrogestaltungen in einer integrierten Vorrichtung. Die Wärmespeichermasse und der Flächeninhalt der Oberfläche des Mikrofluidreaktors können wesentlich höher sein als die der Reaktionsmittel, die im Mikrofluidreaktor gespeichert sind, wodurch Wärme, die im Mikrofluidreaktor gespeichert ist, schnell auf die im Mikrofluidreaktor gespeicherten Reaktionsmittel übertragen werden kann. Der relativ warme Mikrofluidreaktor und die kalte Makrokammer für Umsetzung und Speicherung der Reaktionsmittel ermöglichen eine Prozesssteuerung, die ein schnelles Stillen der Reaktionen gestattet. Alternativ dazu erleichtern Mikrofluidreaktor-Designs eine Wärmeübertragung auf externe(n) oder interne(n) Wärmequellen oder -senken, und ermöglichen eine schnelle Temperaturerhöhung oder -senkung.
-
Obwohl hierin nur bestimmte Merkmale der Erfindung dargestellt und beschrieben sind, können viele Modifizierungen und Änderungen für einen Fachmann auf dem betreffenden Gebiet naheliegend sein. Daher sei klargestellt, dass die beigefügten Ansprüche alle solchen Modifikationen und Änderungen abdecken sollen, die im wahren Gedanken der Erfindung liegen.
