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HINTERGRUND
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Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet von Mikrofluidik-Einheiten und Verfahren zur Funktionalisierung und Konfiguration solcher Einheiten.
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Die Mikrofluidik befasst sich mit der genauen Steuerung und Beeinflussung kleiner Volumina von Fluiden, welche typischerweise auf Kanäle im Mikromaßstab und Volumina im Millimeterbereich begrenzt sind. Hervorstechende Eigenschaften der Mikrofluidik stammen aus dem besonderen Verhalten, das Flüssigkeiten im Mikromaßstab zeigen. Die Strömung von Flüssigkeiten ist in der Mikrofluidik typischerweise laminar. Durch die Herstellung von Strukturen mit lateralen Dimensionen im Mikrometerbereich können Volumina von deutlich weniger als einem Nanoliter erreicht werden. Mikrofluidik-Einheiten beziehen sich im Allgemeinen auf durch Mikrofabrikation hergestellte Einheiten, welche zum Pumpen, zur Probeentnahme, zum Mischen, Analysieren und Dosieren von Flüssigkeiten benutzt werden
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Viele Mikrofluidik-Einheiten weisen Benutzer-Chip-Schnittstellen und geschlossene Strömungswege auf. Geschlossene Strömungswege erleichtern den Einbau funktioneller Elemente (z.B. Heizungen, Mischer, Pumpen, UV-Detektor, Ventile usw.) in eine Einheit und beschränken dabei Probleme in Bezug auf Lecks und Verdampfung auf ein Mindestmaß. Die Analyse von flüssigen Proben erfordert oft eine Reihe von Schritten (z.B. Filtration, Lösen von Reagenzien, Erwärmen, Waschen, Lesen eines Signals usw.).
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Im Allgemeinen werden Mikrofluidik-Einheiten für eine begrenzte Menge von Anwendungen entworfen, typischerweise nur für eine Anwendung. Daher sind für jede neue Anwendung typischerweise neue Entwürfe von Mikrofluidik-Einheiten erforderlich, was die Kosten der Einheiten beeinflusst.
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Die
DE 601 32 185 T2 offenbart mikrofluidische Vorrichtungen, Systeme und Verfahren, welche den selektiven Transport von Fluiden innerhalb mikrofluidischer Kanäle eines mikrofluidischen Netzwerks durch Anlegen, Steuern und Variieren von Drücken an einer Vielzahl von Reservoirs ermöglichen. Die Modellierung des mikrofluidischen Netzwerks als eine Reihe von Knoten, die durch Kanalsegmente miteinander verbunden sind, und die Feststellung der Strömungswiderstandscharakteristiken der Kanalsegmente kann die Berechnung von Fluidströmungen durch die Kanalsegmente ermöglichen, die sich aus einer gegebenen Druckkonfiguration an den Reservoirs ergeben. Um eine gewünschte Effizienz innerhalb eines bestimmten Kanals oder einer Reihe von Kanälen zu bewirken, können Reservoirdrücke mit Hilfe des Netzwerkmodells ermittelt werden. Viskosimeter oder andere Durchflusssensoren können die Durchflusscharakteristika innerhalb der Kanäle messen, und die gemessenen Durchflusscharakteristika können zur Berechnung von Drücken verwendet werden, um einen gewünschten Durchfluss zu erzeugen. Multi-Reservoir-Druckmodulator- und Druckcontroller-Systeme können optional in Verbindung mit elektrokinetischen oder anderen Fluidtransportmechanismen verwendet werden.
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Die
US 2012/ 0 015 442 A1 offenbart ein mikrofluidisches System, welches ein Blasenventil zur Regulierung des Flüssigkeitsstroms durch einen Mikrokanal beinhaltet. Das Blasenventil beinhaltet einen Flüssigkeitsmeniskus, der an das Innere des Mikrokanals angrenzt, und einen Aktor zum Ablenken der Membran in das Innere des Mikrokanals, um den Flüssigkeitsstrom zu regulieren. Der Aktor erzeugt eine Gasblase in einer Flüssigkeit im Mikrokanal, wenn ein ausreichender Druck auf die Membran erzeugt wird.
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Die
US 2016/0 250 638 A1 offenbart Artikel und Verfahren zur Steuerung von Strömungen in fluidischen Systemen, insbesondere in mikrofluidischen Systemen. Ein mikrofluidisches System beinhaltet eine Konfiguration, so dass die Betätigung eines einzelnen Aktors das Umschalten von Fluiden von einem ersten Fluidweg (z.B. einem ersten Kanalabschnitt) auf einen zweiten Fluidweg (z.B. einen zweiten Kanalabschnitt) ermöglichen kann. Dies kann z.B. durch den Einbau eines Ventils mit einem ersten Kanalabschnitt erreicht werden, der vor der Betätigung des Ventils einen geringeren hydrodynamischen Widerstand als ein zweiter Kanalabschnitt aufweisen kann. Die Betätigung des Ventils kann eine Zunahme des hydrodynamischen Widerstands nur des ersten Kanalabschnitts bewirken, wodurch der Fluidstrom in den zweiten Kanalabschnitt (der nun einen relativ geringeren hydrodynamischen Widerstand aufweist) umgeleitet wird.
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Die
US 2016 / 0 016 169 A1 zeigt mikrofluidische Geräte für die automatisierte Verarbeitung von Probenpopulationen. Beschrieben werden mikrofluidische Multiplexer-Vorrichtungen, die so konfiguriert sind, dass sie seriell eine Vielzahl unterschiedlicher Probenpopulationen automatisch an ein Probenverarbeitungselement liefern, ohne die unterschiedlichen Probenpopulationen miteinander zu kontaminieren. Ebenfalls bereitgestellt werden mikrofluidische Probenverarbeitungselemente, die verwendet werden können, um Mitglieder einer Probenpopulation automatisch zu manipulieren und / oder zu untersuchen. Die mikrofluidischen Geräte können für Experimente mit Modellorganismen, wie z.B. C. elegans, verwendet werden.
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KURZDARSTELLUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine leichter herstellbare Mikrofluid-Chipeinheit mit Knoten mit verschiedenen Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten bereitzustellen. Die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben werden jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Gemäß einer ersten Erscheinungsform ist die vorliegende Erfindung als eine Mikrofluidik-Einheit verkörpert. Die Einheit weist einen Eingabe-Mikrokanal, einen Satz von m Verteilungs-Mikrokanälen, einen Satz von m Mikrofluidik-Modulen und einen Satz von m Knoten auf. Der Satz von m Mikrofluidik-Modulen (m ≥ 2) steht entsprechend in Fluidkommunikation mit dem Satz von m Verteilungs-Mikrokanälen. Ein oder mehrere Knoten des Satzes von m Knoten zweigt (zweigen) von dem Eingabe-Mikrokanal ab und zweigt (zweigen) außerdem zu einem entsprechenden des Satzes von m Verteilungs-Mikrokanälen ab, um eine potenzielle Fluidkommunikation von dem Eingabe-Mikrokanal zu dem entsprechenden des Satzes von m Verteilungs-Mikrokanälen sicherzustellen, zu dem er abzweigt. Außerdem wird ein Teilsatz, aber nicht alle, der Knoten des Satzes von m Knoten im Vergleich zu den restlichen Knoten des Satzes von m Knoten geändert. Aufgrund dieser Änderung weisen die Knoten des Satzes von m Knoten verschiedene Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten auf. Als ein Ergebnis variiert das Ausmaß, in dem eine Flüssigkeit, die in den Eingabe-Mikrokanal eingeführt wird, durch ein oder mehrere des Satzes von m Mikrofluidik-Modulen gelangt, im Betrieb auf Grundlage der verschiedenen Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten der Knoten (welche von den Änderungszuständen der Knoten abhängen).
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Mit anderen Worten, der Mikrofluidik-Kreislauf kann auf Grundlage der Änderungszustände der Knoten konfiguriert werden. Als ein Ergebnis können stromabwärts gelegene Mikrofluidik-Module durch eine Flüssigkeit, die in den Eingabe-Mikrokanal eingeführt wird, in Abhängigkeit von der Konfiguration der Knoten erreicht werden (z.B. nach einer bestimmten Zeit) oder nicht. Dies ermöglicht, wie zu erkennen ist, dass eine Mikrofluidik-Einheit durch Ändern einiger der Knoten „programmiert“ wird.
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In den einfachsten Ausführungsformen werden die Knoten so geändert, dass sie auf zweierlei Weise arbeiten können. Beispielsweise werden einige der Knoten des Satzes von m Knoten im Vergleich zu restlichen Knoten dieses Satzes so geändert, dass einer oder mehrere des Satzes von m Knoten entweder eine Flüssigkeit bei sich festhält oder eine Flüssigkeit durchlässt.
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In bevorzugten Ausführungsformen ist die Mikrofluidik-Einheit so ausgestaltet, dass sie ermöglicht, dass eine Flüssigkeit durch geordnete Paare von Modulen hindurchgelangt. Zu diesem Zweck umfasst erfindungsgemäß die Einheit m zusätzliche Sätze von Knoten zusätzlich zu dem ersten Satz von m Modulen. Die m zusätzlichen Sätze von Knoten umfassen jeweils m Knoten, so dass die Mikrofluidik-Einheit m + 1 Sätze von m Knoten umfasst. Die Einheit umfasst ferner einen Satz von m Ausgabe-Mikrokanälen, wobei einer oder mehrere des Satzes von m Ausgabe-Mikrokanälen mit einem Ausgang eines entsprechenden oder mehrerer entsprechender des Satzes von m Mikrofluidik-Modulen verbindet. Der Satz von m Ausgabe-Mikrokanälen ist mit den m zusätzlichen Sätzen von Knoten verbunden. Das heißt, einer oder mehrere des Satzes von m Ausgabe-Mikrokanälen zweigt bzw. zweigen in einen oder mehrere des Satzes von m Knoten eines entsprechenden der m zusätzlichen Sätze von m Knoten ab. Ferner zweigt bzw. zweigen ein oder mehrere Knoten des entsprechenden der m zusätzlichen Sätze von m Knoten zu einem entsprechenden der Verteilungs-Mikrokanäle ab. Mit anderen Worten, ein oder mehrere Knoten des entsprechenden der m zusätzlichen Sätze von m Knoten verbindet einen Ausgabekanal mit einem Verteilungskanal. Außerdem werden einige der m Knoten aus mindestens einem der m zusätzlichen Sätze geändert. Das heißt für mindestens einen gegebenen der m zusätzlichen Sätze von Knoten: ein Teilsatz, aber nicht alle, der m Knoten wird im Vergleich zu restlichen Knoten dieses Satzes von m Knoten geändert. Daher zeigen die m Knoten dieses Satzes verschiedene Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten. Als ein Ergebnis variiert das Ausmaß, wie eine Flüssigkeit, die in den Eingabe-Mikrokanal eingeführt wird, durch ein oder mehrere geordnete Paare von zwei oder einen Satz der m Mikrofluidik-Module gelangt, im Betrieb gemäß den verschiedenen Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten der Knoten des ersten Satzes von m Knoten und dem gegebenen einen oder den gegebenen mehreren der m zusätzlichen Sätze. Das heißt, Flüssigkeit, die in den Eingabe-Mikrokanal eingeführt wird, gelangt durch mindestens ein geordnetes Paar oder einen Satz der m Mikrofluidik-Module. Mit anderen Worten, die Flüssigkeit gelangt durch zwei oder mehr der Module, in einer Reihenfolge, die durch die verschiedenen Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten der Knoten bestimmt wird. Jedoch wird das Ausmaß, wie geordnete Paare von Modulen im Ergebnis fluidverbunden sind (sodass Flüssigkeit von einem Modul zum anderen gelangt), im Betrieb durch die verschiedenen Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten der Knoten des ersten Satzes und des gegebenen einen der m zusätzlichen Sätze bestimmt.
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Entsprechend lassen, obwohl jedes geordnete Paar von Modulen potenziell über verbindende Knoten verbunden ist, die tatsächlichen Änderungszustände der verbindenden Knoten verschiedene Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten entstehen, welche wiederum das Ausmaß bestimmen, wie Flüssigkeit, die in den Eingabekanal eingeführt wird, im Ergebnis durch geordnete Paare oder einen Satz von Modulen gelangt. Die tatsächliche Anzahl geordneter Paare, die wirksam aktiviert sind, und das Ausmaß, wie solche Paare aktiviert sind, hängen von den Änderungszuständen aller Knoten ab.
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Nun muss es in der Praxis nicht notwendig sein, alle möglichen Paare von Modulen zu verbinden. Das heißt, jeder zusätzliche Satz von Knoten kann jeweils weniger als m Knoten aufweisen. Wenn man beispielsweise annimmt, dass Knoten, die jedes Modul mit sich selbst verbinden, entfernt werden können, können die m zusätzlichen Sätze jeweils nur m - 1 Knoten umfassen. Allgemeiner kann jeder der m zusätzlichen Sätze von Knoten in der Tat auf nur wenige Knoten oder sogar nur einen einzigen Knoten beschränkt sein. Wenn man dieses Prinzip verallgemeinert, können die Mikrofluidik-Einheiten der vorliegenden Erfindung in Ausführungsformen mindestens zwei Mikrofluidik-Module, einen ersten Satz von mindestens zwei Knoten (welche jeweils den Eingabe-Mikrokanal mit einem entsprechenden der Module verbinden, z.B. über Verteilungskanäle, wie in vorhergehenden Ausführungsformen) und einen zweiten Satz von mindestens zwei Knoten (welche jeweils ein Paar von verschiedenen der Mikrofluidik-Module verbinden) umfassen. Beispielsweise entspricht der zweite Satz von Knoten hier einem Obersatz, der durch m zusätzliche Sätze von Knoten gebildet wird, welche jeweils mindestens einen Knoten umfassen. In Übereinstimmung mit den obigen Prinzipien kann ein Teilsatz, aber nicht alle, der Knoten sowohl des ersten Satzes als auch des zweiten Satzes im Vergleich zu restlichen Knoten der Sätze geändert werden, so dass man verschiedene Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten erhält. Als ein Ergebnis variiert das Ausmaß, wie eine Flüssigkeit, die in den Eingabe-Mikrokanal eingeführt wird, durch ein oder mehrere geordnete Paare von Modulen gelangt, im Betrieb gemäß den verschiedenen Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten der Knoten. Das heißt, Flüssigkeit, die in den Eingabe-Mikrokanal eingeführt wird, gelangt durch mindestens ein geordnetes Paar der Mikrofluidik-Module, aber das Ausmaß, in dem geordnete Paare von Modulen im Ergebnis fluidverbunden sind, hängt vom Änderungszustand der Knoten ab, wie im vorhergehenden Fall.
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In bevorzugten Ausführungsformen kann jeder Knoten jedes Satzes so konfiguriert sein, dass entweder eine Flüssigkeit dort festgehalten wird oder eine Flüssigkeit dort hindurchgelassen wird, wie oben angegeben. In höher entwickelten Varianten können die Knoten des ersten Satzes ermöglichen, dass eine Flüssigkeit (welche anfangs in den Eingabekanal eingeführt wird) verschiedene Module zu verschiedenen Zeiten erreicht, aufgrund ihrer verschiedenen Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten. Außerdem können zusätzliche Knoten so konfiguriert sein, dass sie ermöglichen, dass Flüssigkeit, die von den verschiedenen Modulen abgegeben wird, anschließend andere Module erreichen.
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Obwohl der zusätzliche Satz von Knoten eine verringerte Anzahl an Knoten aufweisen kann (d.h. jeweils mindestens einen Knoten und höchstens m Knoten), kann es jedoch einfacher sein, Mikrofluidik-Einheiten zu entwerfen, welche jeweils m + 1 Sätze von m Knoten aufweisen, insbesondere wenn man eine für mehrere Zwecke einsetzbare Einheit erhalten möchte. Das man m zusätzliche Sätze von m Knoten hat, bedeutet, dass jedes Modul über „diagonale“ Knoten potenziell mit sich selbst verbunden sein kann. Solche Knoten sind jedoch typischerweise nicht so konfiguriert, dass sie im Ergebnis ermöglichen, dass Flüssigkeit, die von einem gegebenen Modul abgegeben wird, später in dasselbe Modul wieder eintritt. Außerdem kann, auch wenn solche diagonalen Knoten so geändert werden, dass im Prinzip ermöglicht wird, dass Flüssigkeit dort hindurchgelangt, einfach das Vorhandensein von Flüssigkeit in dem entsprechenden einen des Satzes von m Verteilungs-Mikrokanälen verhindern, dass Flüssigkeit, die von einem gegebenen Modul abgegeben wird, später in dasselbe Modul wieder eintritt. Allgemeiner versteht es sich, dass der entsprechende eine oder die entsprechenden mehreren Knoten der m zusätzlichen Sätze von m Knoten und der entsprechende eine des Satzes von m Verteilungs-Mikrokanälen so konfiguriert sein können, dass im Ergebnis verhindert wird, dass Flüssigkeit, die von einem oder mehreren gegebenen des Satzes von m Mikrofluidik-Modulen abgegeben wird, später in dasselbe oder dieselben des Satzes von m Mikrofluidik-Modulen wiedereintritt.
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Erfindungsgemäß umfasst die Mikrofluidik-Einheit m + 1 Sätze von m Knoten, welche als ein Matrixfeld von m x (m + 1) Knoten in einer Koordinaten-Schaltkonfiguration angeordnet sind, was es einfacher macht, die Einheit zu entwerfen und zu programmieren.
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Erfindungsgemäß umfassen die Mikrofluidik-Einheiten der vorliegenden Erfindung verschiedene parallele Niveaus (umfassend ein erstes Niveau und ein zweites Niveau). Sowohl der Eingabe-Mikrokanal als auch der Satz von m Ausgabe-Mikrokanälen sind auf dem ersten Niveau definiert, während der Satz von m Verteilungs-Mikrokanälen auf dem zweiten Niveau definiert sind. Dies ermöglicht nicht-parallele 3D-Kanalkonfigurationen, wobei z.B. sowohl der Eingabekanal als auch die Ausgabekanäle parallel zu einer ersten Richtung auf einem ersten Niveau angeordnet sind, während die Verteilungskanäle parallel zu einer zweiten Richtung (transversal zu der ersten Richtung) auf einem zweiten Niveau angeordnet sind. Solche transversalen Konfigurationen ermöglichen kompaktere Anordnungen der zu entwerfenden Kanäle und dadurch Einheiten mit verkleinerten Standflächen.
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Bevorzugte Ausführungsformen beruhen auf 3D-Knoten, welche vorteilhaft verwendet werden können, um transversale 3D-Kanalkonfigurationen zu ermöglichen, wie oben beschrieben. Erfindungsgemäß umfasst zumindest ein Teilsatz der Knoten jeweils: einen Hohlraum; einen Einlaufanschluss; einen Auslaufanschluss und eine Durchlassöffnung. Der Hohlraum ist auf dem ersten Niveau ausgebildet und ist oben offen. Der Einlaufanschluss ist ebenfalls auf dem ersten Niveau ausgebildet; er zweigt von dem Eingabe-Mikrokanal oder einem des Satzes von m Ausgabe-Mikrokanälen ab, übereinstimmend mit Anordnungen, wie oben beschrieben. Der Einlaufanschluss kommuniziert ferner mit dem Hohlraum durch einen Zugang dazu. Dabei zweigt der Auslaufanschluss zu einem des Satzes von m Verteilungs-Mikrokanälen auf dem zweiten Niveau ab. Die Durchlassöffnung erstreckt sich von dem Hohlraum (z.B. von einer unteren Seite davon) zu dem Auslaufanschluss, so dass der Hohlraum mit dem Auslaufanschluss kommuniziert. Außerdem weist der Hohlraum ein Flüssigkeitssperrelement auf (z.B. er umfasst ein solches oder ist davon verschlossen), welches so konfiguriert ist, dass es verhindert, dass eine wässrige Flüssigkeit, welche den Einlaufanschluss füllt, den Auslaufanschluss des Knotens erreicht.
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Dass der Hohlraum oben offen ist, macht ihn einfacher herzustellen und überdies macht dies den Hohlraum einfacher von oben zugänglich, um die Festhaltefähigkeit des Flüssigkeitssperrelements zu ändern. Auf diese Weise wird ein Knoten mit mehreren Niveaus erreicht, welcher ermöglicht, dass ein Mikrofluidik-Kreislauf mit mehreren Niveaus, wie oben beschrieben, auf Grundlage des Änderungszustands des Sperrelements des Hohlraums konfiguriert (und möglicherweise neu konfiguriert) wird.
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Vorzugsweise erstreckt sich die Durchlassöffnung auf einem Zwischenniveau oder einem dritten Niveau der Einheit zwischen dem ersten Niveau und dem zweiten Niveau. Insbesondere erstreckt sich die Durchlassöffnung von einer Unterseite des Hohlraums (gegenüber der Oberseite) nach unten zu dem Auslaufanschluss. Durchlassöffnungen, die sich von der Unterseite des Hohlraums erstrecken, vereinfachen die Herstellung der Knoten, da die Durchlassöffnungen in dem Hohlraum von oben offen sein können. Außerdem vereinfacht eine Zwischenebene (in welcher Durchlassöffnungen ausgebildet sind) zwischen äußeren Niveaus (in welchen Kanäle ausgebildet sind) den Entwurf von Einheiten mit transversalen Kanalkonfigurationen. Beispielsweise verhindert die Zwischenebene Kurzschlüsse zwischen transversalen Kanälen.
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In Ausführungsformen ist das Flüssigkeitssperrelement eine Flüssigkeits-Festhaltestruktur, die am Zugang zu dem Hohlraum ausgebildet ist. Die Festhaltestruktur ist so konfiguriert, dass sie eine Flüssigkeits-Füllfront einer wässrigen Flüssigkeit am Zugang zu dem Hohlraum stoppt oder hindert. Ein solcher Entwurf macht es besonders einfach, den Hohlraum zu aktivieren. In der Tat kann, wenn die Festhaltestruktur am Zugang zu dem Hohlraum angeordnet ist, Raum, der in dem Hohlraum frei bleibt, bequem genutzt werden, um ein benetzendes Material aufzutragen oder die Festhaltestruktur in sonstiger Weise zu ändern, um die Festhaltefähigkeit des Knotens zu ändern. Die Einheit kann immer noch in einer späteren Phase versiegelt werden, z.B. durch Bedecken aller offenen Strukturen von oben mit einer Abdeckung (z.B. durch Laminieren einer Polymer-Dünnschicht), wie es auf dem Fachgebiet üblich ist.
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Vorzugsweise wird die Flüssigkeits-Festhaltestruktur durch einen Öffnungswinkel Θ1 des Hohlraums gebildet, wobei der Öffnungswinkel 90° bis 160° beträgt. Beispielsweise kann dieser Winkel einfach 90° betragen, d.h. durch eine gerade Wand gebildet werden (die sich senkrecht zu der Flüssigkeitseinlaufrichtung erstreckt), zu welcher der Einlaufanschluss führt. In weiter entwickelten Ausführungsformen ist dieser Winkel deutlich größer als 90°, er kann beispielsweise 135° betragen. In allen Fällen wird, wenn man eine Situation betrachtet, wobei Flüssigkeit den Einlaufanschluss mit einem voranschreitenden Kontaktwinkel füllt, durch die Vergrößerung, d.h. die Verbreiterung, am Eingang in den Hohlraum eine Winkelkomponente hinzugefügt, welche das Fortschreiten des Meniskus in den Hohlraum behindert. In Varianten kann der Öffnungswinkel weniger als 90° betragen, z.B. 60° bis 90°, vorausgesetzt, dass Seitenwände des Hohlraums, die diesen Winkel unterstützen, hydrophob sind.
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In bevorzugten Ausführungsformen weist der Zugang zu dem Hohlraum eine Breite auf, die geringer ist als die Tiefe. Wände des Hohlraums auf jeder Seite des Zugangs sind durch einen Spalt getrennt, der der Breite des Zugangs entspricht. Diese Wände bilden demgemäß zwei gegenüberliegende Öffnungswinkel Θ1 in dem Hohlraum, wobei die Öffnungswinkel jeweils 60° bis 160° betragen, wie oben erläutert. Der Einlaufanschluss kann sich beispielsweise entlang einer Hauptachse des Hohlraums erstrecken, so dass der Zugang in dem Hohlraum zentriert ist. Auf diese Weise werden zwei seitliche Ränder am Zugang gebildet, welche die zwei Öffnungswinkel bilden und das Fortschreiten eines Meniskus in den Hohlraum behindern. Da außerdem die Tiefe des Zugangs größer als die Breite ist, kann Flüssigkeit, die am Zugang zu dem Hohlraum seitlich festgehalten wird, nicht die Festhaltebarriere überwinden, indem sie im Betrieb sowohl einen Boden des Einlaufanschlusses und des Hohlraums als auch eine gegenüberliegende Abdeckung benetzt. Somit ist der Hohlraum in diesem Fall standardmäßig deaktiviert (d.h. normalerweise AUS), was bedeutet, dass nur jene Knoten, die (zu Programmierungszwecken) aktiviert werden müssen, geändert werden, was dank des offenen Hohlraums einfach zu erreichen ist. Am einfachsten ist es, den Zugang am Eingang des Hohlraums zentriert zu haben, um die Festhaltefähigkeit der seitlichen Ränder zu maximieren.
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In Varianten kann der Zugang mehr oder weniger seitlich dezentriert sein. Wenn der Zugang vollständig dezentriert ist, dann „sieht“ eine Flüssigkeit nur einen Rand am Eingang des Hohlraums, was zu lediglich teilweisem Festhalten der Flüssigkeit kann.
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Ein Knoten, wie oben definiert (d.h. mit einer Flüssigkeits-Festhaltestruktur, welche einen oder zwei Öffnungswinkel bildet), kann beispielsweise durch ein Benetzungsmaterial geändert werden, welches an der Flüssigkeits-Festhaltestruktur angeordnet ist, so dass ermöglicht wird, dass eine wässrige Flüssigkeit, welche den Einlaufanschluss füllt, trotz der Flüssigkeits-Festhaltestruktur den Auslaufanschluss erreicht.
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In Varianten solcher Flüssigkeits-Festhaltestrukturen kann das Sperrelement durch ein veränderbares Element gebildet werden, z.B. eine hydrophobe Barriere, welche in dem Hohlraum angeordnet wird oder den Hohlraum auf der Unterseite gegenüber der Oberseite versiegelt. Beispielsweise kann eine hydrophobe Barriere verwendet werden, welche eine entfernbare Substanz (z.B. Wachs) ist, die in den Hohlraum eingefügt wird. Das veränderbare Element kann auch eine Dünnschicht sein, welche den Hohlraum von unten versiegelt. Solche Entwürfe erwiesen sich als besonders bequem, wenn Medien mit Dochteffekt (z.B. faserige/poröse Medien wie Papier oder Nitrocellulosematerial) als eine Basis zum Bilden der verschiedenen Strömungswege verwendet wurden.
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In Ausführungsformen weisen die Einlaufanschlüsse von zwei Knoten desselben Satzes von Knoten (d.h. Knoten, welche von einem gleichen Kanal abzweigen) verschiedene hydraulische Widerstände auf, um z.B. die Unterschiede in den Strömungsgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten auszugleichen, die diese Einlaufanschlüsse erreichen.
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In bevorzugten Ausführungsformen weist der Auslaufanschluss eines Knotens ein Fluidströmungs-Verengungsventil auf, um zu verhindern, dass eine wässrige Flüssigkeit in dem Satz von m Verteilungs-Mikrokanälen, abgezweigt an dem Auslaufanschluss, in den Knoten eintritt und die Durchlassöffnung erreicht. Auf diese Weise werden vollständig unidirektionale Knoten erreicht, welche ermöglichen, dass geordnete Paare von Modulen in nur eine Richtung fluidverbunden werden.
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Vorzugsweise zweigt der Auslaufanschluss auf einem Niveau einer Verbindungsstelle zu einem entsprechenden Kanal des Satzes von m Verteilungs-Mikrokanälen ab, welcher auf einer Seite auf dem Niveau der Verbindungsstelle ein Fluidströmungs-Verengungsventil aufweist, so dass eine wässrige Flüssigkeit, die durch den Auslaufanschluss ausgestoßen wird, in eine Richtung gezwungen wird, die von der einen Seite auf dem Niveau der Verbindungsstelle zu einer gegenüberliegenden Seite auf dem Niveau der Verbindungsstelle verläuft. Somit arbeiten der Auslaufanschluss und das Ventil des Verteilungs-Mikrokanals als eine Diode, was es möglich macht, dass eine Säule von unidirektionalen Knoten zu einem gleichen Verteilungs-Mikrokanal abzweigt.
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Das Fluidströmungs-Verengungsventil auf einer Seite auf dem Niveau der Verbindungsstelle kann zum Beispiel durch einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt des entsprechenden des Satzes von m Verteilungs-Mikrokanälen gebildet werden, der an dem Auslaufanschluss abzweigt. Der erste Abschnitt ist kegelförmig und führt zu dem zweiten Abschnitt, welcher einen größeren mittleren Durchmesser als der erste Abschnitt aufweist, so dass im zweiten Abschnitt ein Öffnungswinkel Θ2 geschaffen wird, welcher 90° bis 160° beträgt.
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Die Einheiten der vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise wie folgt dimensioniert. Sowohl der Eingabe-Mikrokanal, der eine oder die mehreren des Satzes von m Verteilungs-Mikrokanälen als auch der eine oder die mehreren des Satzes von m Ausgabe-Mikrokanälen weisen eine Tiefe auf, die 10 µm bis 100 µm beträgt. Dabei weisen sowohl der Eingabe-Mikrokanal, der eine oder die mehreren des Satzes von m Verteilungs-Mikrokanälen als auch der Einlaufanschluss dieselbe Tiefe auf und der Einlaufanschluss weist eine Breite auf, welche 5 µm bis 50 µm beträgt. Andererseits weist die Durchlassöffnung einen mittleren Durchmesser auf, der 25 µm bis 200 µm beträgt, gemessen parallel zu einer Mittelebene des ersten Niveaus von dem zweiten Niveau.
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In bevorzugten Ausführungsformen werden die Einheiten der vorliegenden Erfindung als mehrschichtige Einheiten hergestellt. Jede Schicht kann beispielsweise ein oder mehrere Niveaus der Einheiten beherbergen, wie bereits beschrieben. In Varianten kann jedes Niveau eine oder mehrere Materialschichten benötigen, was von der gewählten Herstellungstechnik abhängt, wie im nächsten Abschnitt detaillierter beschrieben wird. Beispielsweise können die Mikrofluidik-Einheiten der vorliegenden Erfindung mindestens zwei Schichten aufweisen, wobei der Eingabe-Mikrokanal und der eine oder die mehreren des Satzes von m Ausgabe-Mikrokanälen, der Hohlraum und der Einlaufanschluss alle in einer ersten Schicht der mindestens zwei Schichten ausgebildet sind, während der eine oder die mehreren des Satzes von m Verteilungs-Mikrokanälen in einer zweiten Schicht der mindestens zwei Schichten ausgebildet sind. In Varianten können die Einheiten in einem einzigen Spritzgießschritt erhalten werden.
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In Ausführungsformen weisen die Einheiten der vorliegenden Erfindung mindestens drei Schichten auf. Die Durchlassöffnung des Hohlraums kann beispielsweise in einer Zwischenschicht zwischen einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht der Einheit ausgebildet sein.
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Die Mikrofluidik-Module weisen typischerweise verschiedene Funktionen auf. Der Satz von m Mikrofluidik-Modulen kann insbesondere zwei oder mehr aus Folgendem aufweisen: eine optische Erfassungskammer (in der Einheit konfiguriert, um eine optische Erfassung zu ermöglichen); eine Fluidmischkammer und eine Reaktionskammer. Ausführungsformen werden im nächsten Abschnitt beschrieben, welche insbesondere einen Satz von m = 2, 3, 4, 8 oder 36 verschiedenen Modulen umfassen können, was verschiedene Mikrofluidik-Anwendungen ermöglicht.
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Gemäß einer anderen Erscheinungsform kann die Erfindung als ein Verfahren zum Programmieren einer Mikrofluidik-Einheit, wie oben beschrieben, verkörpert sein, welches sich um ein Ändern eines Teilsatzes der Knoten der Einheit dreht, um den Knoten verschiedene Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten zu verleihen, in Übereinstimmung mit den oben beschriebenen Prinzipien. Erscheinungsformen solcher Verfahren werden in der detaillierten Beschreibung der Einheiten der vorliegenden Erfindung im nächsten Abschnitt angesprochen.
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Nun werden durch nicht-beschränkende Beispiele und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen Mikrofluidik-Einheiten und Verfahren beschrieben, welche die vorliegende Erfindung verkörpern.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Draufsicht auf eine Mikrofluidik-Einheit mit einer transversalen Kanalkonfiguration und einem programmierbaren Matrixfeld von Knoten in einer Koordinaten-Schaltkonfiguration, wobei die Einheit 3D in Silicium hergestellt ist, gemäß einer ersten Klasse von Ausführungsformen;
- 2 und 3 zeigen eine Draufsicht auf einen 3D-Knoten, welcher, wie in Ausführungsformen, in der Einheit der 1 vorteilhaft verwendet werden kann. Dieser Knoten weist Flüssigkeits-Festhaltestrukturen auf, welche durch Benetzungsmaterial, das richtig in dem Hohlraum des Knotens angeordnet wird, deaktiviert werden können, wie in 3 veranschaulicht, um den Knoten zu aktivieren;
- 4 ist eine Fotografie (in Graustufen mit hohem Kontrast zu Abbildungszwecken) einer Draufsicht auf eine Prototyp-Einheit mit einer Konfiguration, wie in 1 dargestellt, deren aktivierte Knoten hervorgehoben sind;
- 5 und 6 sind 3D-Ansichten, welche mögliche Herstellungsverfahren für Mikrofluidik-Einheiten der vorliegenden Erfindung veranschaulichen, die auf Spritzgießtechniken beruhen;
- 7A, 7B, 7C und 7D zeigen Explosionsansichten von dreischichtigen Einheiten (oder Teilen davon), deren Strömungswege vorteilhaft auf Medien mit Dochteffekt (z.B. Papier) realisiert werden können, gemäß anderen Ausführungsformen;
- 8 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Einheit gemäß 7A oder 7B;
- 9 ist eine Draufsicht auf eine weitere Mikrofluidik-Einheit, welche acht Mikrofluidik-Module aufweist, die in einer Koordinaten-Schaltkonfiguration verbunden sind, wie in Ausführungsformen verwendet; und
- 10 ist eine Draufsicht auf eine Variante für den Knoten der 2, wobei der Knoten in zwei Verteilungskanäle abzweigt, wie in Ausführungsformen verwendet.
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Die begleitenden Zeichnungen zeigen vereinfachte Darstellungen von Einheiten oder Teilen davon, wie in Ausführungsformen verwendet. Technische Merkmale, die in den Zeichnungen abgebildet sind, sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Ähnlichen oder funktionell ähnlichen Elementen sind in den Figuren die gleichen Bezugszahlen zugeordnet worden, sofern nicht anders angegeben.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Im Folgenden wird für Bezugszahlen gelegentlich eine Kurznotation verwendet. Beispielsweise kann statt der Bezugszahlen 120, ..., 620 die Notation „k20“ verwendet werden, wobei k = 1, ..., 6. Somit umfasst die Notation „k20“ die Bezugszahlen 120, 420 und 620, welche zu Mikrofluidik-Knoten verschiedener Mikrofluidik-Einheiten 1, 4 und 6 gehören, die in 1, 7 bzw. 10 abgebildet sind.
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Im Folgenden wird für Bezugszahlen gelegentlich eine Kurznotation verwendet. Beispielsweise kann statt der Bezugszahlen die Notation „k1l“ verwendet werden, wobei k = 1, ..., 6 und wobei I = 1, ..., 8. Die Notation „k1l“ kann auch beispielsweise Bezugszahlen wie 111 bis 114, 411 bis 414 und 511 bis 518 umfassen, welche zu Ausgabekanälen gehören, die in 1, 4, 7A bis 7B bzw. 10 abgebildet sind. Ferner kann beispielsweise die Notation „k3l“ Bezugszahlen wie 131 bis 134 und 431 bis 434 umfassen, welche zu Verteilungskanälen gehören, wie in 1, 7A bis 7B bzw. 8 abgebildet. Außerdem kann beispielsweise die Notation „k4l“ Bezugszahlen wie 141 bis 144 und 441 bis 444 umfassen, welche zu Mikrofluidik-Modulen gehören, wie in 1, 4, 7A bis 7B bzw. 8 abgebildet.
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Bei der Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung kann auf „jedes“ Element in einem Satz Bezug genommen werden (z.B. „jeder zusätzliche Satz von m Knoten zweigt von einem gegebenen der Ausgabe-Mikrokanäle ab...“); es sei angemerkt, dass die Verwendung des Wortes „jedes“ lediglich Zwecken der Veranschaulichung dient und dass Ausführungsformen der Erfindung unter Verwendung von weniger als jedem beschriebenen Element ausgeführt werden können, wie in den Ansprüchen angegeben.
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Bezug nehmend auf 1, 4 bis 9, wird zunächst eine Erscheinungsform der Erfindung beschrieben, welche Mikrofluidik-Einheiten k (mit k = 0, 1, ..., 6) betrifft. Solche Mikrofluidik-Einheiten weisen Mikrokanäle und andere Mikrofluidik-Elemente auf, von denen eine charakteristische Abmessung (z.B. Breite oder Tiefe) im Mikrometer-Längenbereich liegt, d.h. typischerweise 1 µm bis 100 µm beträgt. Dennoch können einige spezielle Strukturen solcher Einheiten im Nanomaßstabsbereich oder im Millimeterbereich liegen, wobei die Einheiten als ganze typischerweise im Zentimeterbereich liegen.
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Solche Einheiten k weisen typischerweise die folgende minimale Konfiguration auf: sie umfassen einen Eingabe-Mikrokanal k10, einen Satz von m Verteilungs-Mikrokanälen k3l, einen Satz von m Mikrofluidik-Modulen k4l und einen Satz von m Knoten k20, wobei m ≥ 2.
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Die m Mikrofluidik-Module k4l stehen jeweils in Fluidkommunikation mit den m Verteilungs-Mikrokanälen k3l. In der vorliegenden Beschreibung beziehen sich Ausdrücke wie „Fluidkommunikation“, „in Fluidkommunikation mit“ oder „fluidverbunden mit“ auf ein und dasselbe Konzept, wobei einer Flüssigkeit ermöglicht wird, durch eine Passage, einen Kanal, eine Durchlassöffnung oder irgendeine andere geeignet ausgestaltete Verbindung von einem Teil zum anderen zu gelangen. Wenn nun auf dem Fluidweg ein Mikrofluidik-Knoten zwischengeschaltet ist, dann liegt potenziell eine „Fluidkommunikation“ (oder „Fluidverbindung“) vor. Jedoch hängt das Ausmaß, in dem eine Fluidkommunikation ermöglicht ist, vom Änderungszustand des Knotens ab, wie nachstehend dargestellt.
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Die m Knoten k20 zweigen jeweils von dem Eingabe-Mikrokanal k10 ab und zweigen ferner zu einem entsprechenden der Verteilungs-Mikrokanäle k3l ab. Somit kann ein Knoten k20 potenziell eine Fluidkommunikation von dem Eingabe-Mikrokanal zu dem Verteilungs-Mikrokanal sicherstellen, zu dem er abzweigt. Man beachte, dass das Umgekehrte nicht zwingend zutrifft, da die Knoten vorzugsweise unidirektional sind.
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Beispielsweise ist m = 4 in 1, in welcher vier Mikrofluidik-Module 141 bis 144 abgebildet sind, die entsprechend durch vier Verteilungskanäle 131 bis 134 verbunden sind. Die vier Mikrofluidik-Module 141 bis 144 verbinden entsprechend weiter zu vier Ausgabekanälen 111 bis 114. 1 zeigt außerdem einen oberen (horizontalen) Satz von m Knoten, welche jeweils von dem Eingabekanal 110 abzweigen und in entsprechende Verteilungskanäle 131 bis 134 abzweigen. Da die Einheiten der vorliegenden Erfindung typischerweise zusätzliche Sätze von Knoten umfassen, wird der obere horizontale Satz von Knoten im Folgenden als ein „erster Satz“ von Knoten bezeichnet. Wie ferner in 1 bis 3 veranschaulicht, kann der Eingabe-Mikrokanal k10 beispielsweise m Übergänge 110J umfassen und jeder der m Knoten kann an einem entsprechenden der m Übergänge 110J von dem Eingabe-Mikrokanal 110 abzweigen.
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Ein Knoten kann verschiedene Elemente umfassen, wie z.B. einen Einlaufanschluss (oder einen Einlaufkanal), einen Hohlraum, ein Flüssigkeits-Festhalteelement, eine Durchlassöffnung und einen oder mehrere Auslaufanschlüsse, wie später in Bezug auf 2 bis 3 und 7C, 7D beschrieben. Beispielsweise können verschiedene Typen von Knoten vorgesehen sein, welche geändert werden können, um die Fluidverbindung zu modulieren.
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Somit können die Einheiten der vorliegenden Erfindung funktionalisiert (und so anwendungsspezifisch ausgestaltet werden), indem einige ihrer Knoten geändert werden. Nach der Funktionalisierung wird ein Teilsatz, werden aber nicht alle, der Knoten k20 im Vergleich zu den restlichen Knoten des Satzes geändert. Aufgrund dieser Änderung zeigen die Knoten k20 verschiedene Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten. Als ein Ergebnis variiert im Betrieb das Ausmaß, in welchem eine Flüssigkeit, die in den Eingabe-Mikrokanal k10 eingeführt wird, eines oder mehrere der m Mikrofluidik-Module k4l erreicht, und dies gemäß den verschiedenen Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten der Knoten.
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Somit hängt das Ausmaß, in welchem ein Knoten im Ergebnis einer Flüssigkeit ermöglicht, von dem Eingabe-Mikrokanal zu einem nachgeschalteten Modul zu gelangen, vom Änderungszustand dieses Knotens ab. Dass die Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten der Knoten veränderbar sind, bedeutet, dass die Einheit konfigurierbar ist. Mit anderen Worten, die Tatsache, dass Knoten geändert werden können, ermöglicht, dass der Mikrofluidik-Kreislauf auf Grundlage der Änderungszustände der Knoten konfiguriert werden kann. Als ein Ergebnis können in Abhängigkeit von den Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten der Knoten die nachgeschalteten Mikrofluidik-Module k4l z.B. nach einer gewissen Zeit, oder sogar überhaupt nicht, kontaktiert werden (d.h. von Flüssigkeit benetzt werden, die in den Eingabe-Mikrokanal eingeführt wird).
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Wie zu erkennen ist, ermöglicht dies, eine Mikrofluidik-Einheit zu programmieren.
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Schließlich machen es bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung möglich, dass Knoten während einer letzten Stufe der Herstellung geändert oder sogar rekonfiguriert werden (so dass die Einheit umprogrammierbar ist). Somit kann es sein, dass in einer Zwischenstufe der Herstellung noch keiner der Knoten der Einheit geändert ist. Wir wissen jedoch, dass, wenn keiner der Knoten geändert ist oder wenn die Knoten alle in ähnlicher Weise geändert sind, die Knoten dann typischerweise alle die gleiche Flüssigkeits-Festhaltefähigkeit aufweisen und keine spezielle Funktionalisierung der Einheit erhalten wird. Stattdessen führt die Programmierung der Einheit typischerweise dazu, dass nur ein Teilsatz der Knoten geändert ist (oder zumindest die Knoten nicht alle in einer gleichen Weise geändert sind), um die Flüssigkeitsdynamik durch die Module zu differenzieren und somit die Mikrofluidik-Einheit zu funktionalisieren und anwendungsspezifisch auszugestalten.
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In einfachsten Ausführungsformen werden die Knoten so geändert, dass sie auf zweierlei Weise arbeiten können, d.h., als Schalter, welche die Flüssigkeit hindurchlassen oder nicht. In diesem Fall können die Mikrofluidik-Knoten mit Transistorschaltern oder Logikgattern verglichen werden. Und zwar können die Knoten k20 so konfiguriert werden, dass sie entweder eine Flüssigkeit bei sich festhalten oder eine Flüssigkeit durchlassen. Außerdem kann ein Knoten so ausgestaltet sein, dass er „normalerweise EIN“ ist (und somit geändert werden muss, um auf AUS geschaltet zu werden), oder ein Knoten kann umgekehrt so ausgestaltet sein, dass er „normalerweise AUS“ ist und geändert wird, um auf AUS geschaltet zu werden. In Varianten können die Knoten k20 geändert werden, um verschiedene Flüssigkeits-Strömungsgeschwindigkeiten durch sie hindurch zu ermöglichen, so dass eine Flüssigkeit die Module im Ergebnis zu verschiedenen Zeiten erreicht.
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Außerdem können die Mikrofluidik-Kreisläufe der vorliegenden Erfindung festcodiert sein, d.h. dass die Knoten in nicht-rekonfigurierbarer Weise geändert werden. In Ausführungsformen können die Mikrofluidik-Einheiten jedoch zumindest teilweise rekonfigurierbar sein.
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Im Kontext der vorliegenden Erfindung kann man idealerweise einen komplexen Mikrofluidik-Kreislauf ermöglichen wollen, welcher z.B. eine Mehrzahl funktionell verschiedener Module umfasst, und ermöglichen wollen, dass die Einheit so programmiert wird, dass überall in den Modulen eine beliebige Fluidsequenz ermöglicht wird. Dies kann jedoch typischerweise zu einer sehr komplexen Architektur und zu großen Standflächen der Einheiten führen. Daher ist es von bedeutendem Vorteil, auf eine schalterartige Koordinatenkonfiguration der Knoten zurückzugreifen. Diese ermöglicht nicht nur, die Standfläche der Einheiten zu verringern, sondern sie vereinfacht außerdem die Programmierung der Knoten. Um dies zu erreichen, ist es am besten, auf transversale Sätze von Eingabe/Ausgabe-Kanälen und Verteilungs-Mikrokanälen zurückzugreifen. Mit transversalen Kanälen sind hier nicht-parallele Kanäle gemeint, die auf verschiedenen Niveaus der Einheit angeordnet sind, d.h. Kanäle, deren jeweilige Projektionen auf eine mittlere Ebene der Einheit transversal sind.
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Um dies möglich zu machen, kann man nun vorteilhafterweise auf eine Einheit mit mehreren Niveaus zurückgreifen, wie in 1, 5 bis 7 dargestellt, wobei verschiedene Sätze von Mikrokanälen auf verschiedenen Niveaus der Einheit vorgesehen sind. Ferner kann, um die Kanäle zu verbinden, vorzugsweise auf 3D-Knoten zurückgegriffen werden, welche z.B. einen Einlass und einen Auslass auf verschiedenen Niveaus in der Einheit aufweisen, wie nachstehend in Bezug auf 2, 3 und 7 beschrieben.
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Auf diese Weise können komplexe Architekturen nicht-paralleler Mikrokanäle erreicht werden, welche konfigurierbar (und möglicherweise rekonfigurierbar) sind, und dies basierend auf einer gleichen anfänglichen Mikrofluidik-Schablone. Einmal anwendungsspezifisch ausgestaltet, wird oder bleibt typischerweise nur ein Teilsatz der Mikrofluidik-Module aktiviert. Allgemeiner können die verschiedenen Module zu verschiedenen Zeiten aktiviert werden, wobei angemerkt sei, dass deaktivierte oder nicht aktivierte Module als Module angesehen werden können, die nach einer unendlichen Zeitdauer, nachdem eine Flüssigkeit anfänglich in den Eingabe-Mikrokanal eingeführt wurde, aktiviert werden. Anders ausgedrückt, die Zeit, zu der ein Modul aktiviert (d.h. von der Flüssigkeit erreicht) wird, hängt von den Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten der damit verbundenen Knoten ab.
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Außerdem ist es möglich, die Module zu verbinden, um Sequenzen von Modulen in einer gegebenen Reihenfolge von Modulen zu ermöglichen, die von einer Flüssigkeit erreicht werden. Beispielsweise kann derselbe Eingabestrom ein gegebenes der Module nach einem anderen gegebenen der Module erreichen usw.
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Wie zu erkennen ist, bietet dies bedeutende Vorteile für die Herstellung, insofern, als eine Mehrzweckschablone für Mikrofluidik-Einheiten entworfen werden kann, welche mehrere potenzielle Anwendungen ermöglicht (z.B. Fluidreaktion, Fluidvermischung, optische Erfassung usw.), für welche nur ein Teilsatz der Module aktiviert werden muss, und möglicherweise gemäß einem gegebenen zeitlichen Ablauf und/oder einer gegebenen Reihenfolge. Dies wird dank geeigneter Knotenarchitekturen und geeignet geänderten Knoten erreicht, wie hierin in Ausführungsformen vorgeschlagen. Schließlich ist, da dieselbe Mehrzweckschablone für Mikrofluidik-Einheiten entworfen und in Massenproduktion hergestellt werden kann, eine merkliche Kosteneinsparung abzusehen.
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In Ausführungsformen umfasst die Mikrofluidik-Einheit k m zusätzliche Sätze von jeweils m Knoten k20 zusätzlich zu einem ersten Satz von m Knoten k20, um zu ermöglichen, dass Flüssigkeit potenziell durch gegebene geordnete Paare von Modulen gelangt. In jedem der Beispiele der 1, 4, 8 und 9 entspricht der erste Satz von m Knoten dem oberen horizontalen Satz von Knoten, die von dem Eingabe-Mikrokanal k10 abzweigen. Überdies sind unterhalb des oberen Satzes jeweils m zusätzliche Sätze von m Knoten k20 vorgesehen (mit m = 4 in 1, 4 und 8 und m = 8 in 9).
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Eine solche Einheit k umfasst ferner einen Satz von m Ausgabe-Mikrokanälen k1l (l = 1, ..., m), die jeweils mit einem Ausgang eines entsprechenden der m Mikrofluidik-Module k4l verbunden sind. Die m Ausgabe-Mikrokanäle sind mit den m zusätzlichen Sätzen von Knoten verbunden. Das heißt, jeder der m Ausgabe-Mikrokanäle k1l zweigt in einen jeweiligen der m Knoten k20 eines entsprechenden der m zusätzlichen Sätze ab. Ferner zweigt jeder Knoten jedes zusätzlichen Satzes in einen entsprechenden der Verteilungs-Mikrokanäle k3l ab. Mit anderen Worten, jeder Knoten jedes zusätzlichen Satzes verbindet einen Ausgabekanal k1l mit einem Verteilungskanal k3l.
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Beispielsweise verbindet in 1 der erste Knoten in der Ausgabe des oberen Moduls 141 mit dem ersten Verteilungskanal 131, welcher mit demselben Modul 141 verbindet. Der zweite Knoten in der Ausgabe des Moduls 141 verbindet mit dem zweiten Verteilungskanal 132 usw. Zum Beispiel verbindet der l-te Knoten mit dem l-ten Verteilungskanal. Eine ähnliche Konfiguration wird in 8 und 9 angenommen (wenngleich in 9 die unteren Kanäle versteckt sind). Wie bei diesen Beispielen zu sehen, sind die Verteilungskanäle vorzugsweise geschachtelt, um die Standfläche zu verringern.
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Nun können die zusätzlichen Knoten so geändert werden, dass sie andere Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten zeigen. Beispielsweise kann ein Teilsatz (nicht alle) der m Knoten mindestens eines der m zusätzlichen Sätze im Vergleich zu restlichen Knoten dieses Satzes geändert werden, damit die Knoten dieses Satzes verschiedene Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten aufweisen. Als ein Ergebnis gelangt Flüssigkeit, die (anfänglich) in den Eingabe-Mikrokanal k10 eingeführt wird, durch mindestens ein geordnetes Paar der m Mikrofluidik-Module k4l. Die tatsächliche ermöglichte Sequenz wird hier im Betrieb durch die verschiedenen Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten folgender Knoten bestimmt: (i) des ersten Satzes von m Knoten und (ii) des mindestens einen der m zusätzlichen Sätze. Natürlich können Knoten in anderen der zusätzlichen Sätze ebenfalls geändert werden, um komplexere Sequenzen zu ermöglichen.
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In Ausführungsformen, wie in 1, 4, 8, 9 dargestellt, umfasst die Einheit jedes Mal m + 1 Sätze von jeweils m Knoten k20 insgesamt, umfassend den ersten Satz von m Knoten. Es gibt daher in solchen Fällen insgesamt m x (m + 1) programmierbare Knoten. Wiederum sind solche Knoten vorzugsweise so konfiguriert, dass sie eine Flüssigkeit entweder festhalten oder durchlassen.
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Wie beispielsweise in 1 zu sehen, umfasst jeder Ausgabe-Mikrokanal 111 (l = 1, ..., m) m Übergänge 11lJ. Jeder zusätzliche Satz von m zweigt auf dem Niveau einer entsprechenden Verbindungsstelle von einem gegebenen der Ausgabe-Mikrokanäle 11l ab. Das heißt, jeder Knoten eines beliebigen der zusätzlichen Sätze zweigt an einem entsprechenden der m Übergänge 11lJ von einem gegebenen der Ausgabe-Mikrokanäle ab. Eine ähnliche Konfiguration wird in jeder der Einheiten der 4 bis 8 verwendet.
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Da jeder Knoten jedes der m zusätzlichen Sätze zu einem entsprechenden der Verteilungs-Mikrokanäle k3l abzweigt, können die Knoten als ganze potenziell eine Fluidkommunikation zwischen m2 geordneten Paaren der Mikrofluidik-Module k4l ermöglichen, was nachstehend noch erörtert wird.
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Die m2 geordneten Paare, die potenziell ermöglicht werden können, beruhen auf der Tatsache, dass der Eingabe-Mikrokanal in jeden der m Knoten des ersten Satzes abzweigt, was somit m Möglichkeiten für das erste Modul (d.h. das erste Element der geordneten Paare) ergibt. Nun zweigt der Ausgabe-Mikrokanal jedes Moduls in jeden der m Knoten eines entsprechenden der zusätzlichen Sätze ab, was m Möglichkeiten für das zweite Element der geordneten Paare ergibt, und dies für jedes der m ersten Elemente. Es gibt daher potenziell m2 geordnete Paare von Modulen, die in Fluidkommunikation gestellt werden können (was, hinsichtlich der Anzahl an 2-Tupeln eines m-Satzes, als eine Anordnung mit Wiederholung angesehen werden kann).
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Nun können die zusätzlichen Knoten ferner so konfiguriert sein, dass sie eine Anzahl an Sequenzen von Modulen ermöglichen. Eine Sequenz entspricht einem geordneten n-Tupel von Modulen. Jedoch ist die Anzahl an Anordnungen von Fluidsequenzen, die in der Praxis effektiv ermöglicht werden, typischerweise (viel) kleiner. In der Tat wird jeder Satz von Knoten typischerweise so programmiert, dass er einer dort hindurch gelangenden Flüssigkeit ermöglicht, einen reduzierten Teilsatz der Module (typischerweise höchstens ein Modul) zu erreichen. Außerdem und in Abhängigkeit von den genauen Strukturen des Knotens und der Verteilungskanäle kann es physisch unmöglich sein, dass Flüssigkeit, die von einem gegebenen Modul ausgestoßen wird, später wieder in dasselbe Modul eintritt, trotz des Vorliegens eines Verbindungsknotens, aufgrund des Vorliegens von Flüssigkeit in dem entsprechenden Verteilungskanal.
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Wenn man beispielsweise annimmt, dass Flüssigkeit, die von einem Modul ausgestoßen wird, höchstens ein bestimmtes Modul erreichen soll (welches bislang noch nicht benutzt wurde, so dass Flüssigkeit niemals zweimal durch dasselbe Modul gelangt), gibt es m Möglichkeiten für das erste Modul, von Flüssigkeit erreicht zu werden, m - 1 Möglichkeiten für das zweite usw., so dass es insgesamt m! Möglichkeiten von Fluidsequenzen gibt. In der Praxis müssen jedoch nicht alle Module genutzt werden, so dass typischerweise viel einfachere Sequenzen ermöglicht werden.
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Beispielsweise sei angenommen, dass im Ergebnis ein Paar von Modulen benötigt wird, z.B. eines für Reaktionszwecke und ein anderes für Erfassungszwecke. In diesem Fall muss ein einzelner Knoten in dem ersten Satz (d.h. dem oberen Satz in 1) aktiviert werden, um zu ermöglichen, dass Flüssigkeit das Reaktionsmodul erreicht. Als Nächstes muss ein einzelner Knoten in der Ausgabe des Reaktionsmoduls aktiviert werden, um zu ermöglichen, dass Flüssigkeit das Erfassungsmodul erreicht.
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Als ein anderes Beispiel zeigt 4 eine Fotografie der oberen Schicht einer tatsächlichen Mikrofluidik-Einheit (welche dieselbe Konfiguration wie die Einheit der 1 aufweist), wobei aktivierte Knoten hervorgehoben sind. Die ermöglichte Sequenz ist die folgende:
- - Der dritte Knoten des oberen Satzes von Knoten ist aktiviert, was eine Fluidverbindung mit dem dritten Verteilungskanal (in 4 nicht sichtbar, entspricht Kanal 133 in 1) ermöglicht und somit im Betrieb Flüssigkeit zu dem dritten Modul 143 bringt. Flüssigkeit, die aus diesem Modul 143 ausgestoßen wird, erreicht den Ausgabekanal 113 und dadurch den dritten zusätzlichen Satz von Knoten, der davon abzweigt;
- - Im dritten zusätzlichen Satz von Knoten (d.h. im vierten Satz, wenn man die Zählung von oben beginnt): ist nur der erste Knoten aktiviert, was Flüssigkeit zu dem ersten Modul 141 bringt, dann zum Ausgabekanal 111 und zum ersten zusätzlichen Satz von Knoten; und
- - Im ersten zusätzlichen Satz (unterhalb des oberen Satzes): ist nur der vierte Knoten aktiviert, was Flüssigkeit zu dem vierten Modul 144 bringt;
- - Im vierten zusätzlichen Satz: ist nur der zweite Knoten aktiviert, so dass Flüssigkeit das zweite Modul 142 erreicht; und
- - Im zweiten zusätzlichen Satz in der Ausgabe des zweiten Moduls 142 ist keiner der Knoten logisch aktiviert, da dieses Modul das letzte ist, das von Flüssigkeit erreicht wird.
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Entsprechend gelangt Flüssigkeit, die anfänglich in den Eingabekanal 110 eingeführt wird, nacheinander durch das dritte Modul, das erste Modul, das vierte Modul und schließlich das zweite Modul. Im Ergebnis wird in diesem Fall eine spezielle Sequenz von vier verschiedenen Modulen ermöglicht und im Ergebnis werden hier alle Module genutzt. In Varianten könnte nur ein Teilsatz der Module genutzt werden, und möglicherweise in einer anderen Reihenfolge. Es sei angemerkt, dass in dem Beispiel der 4 die meisten Knoten nicht aktiviert sind und ein Verteilungskanal höchstens einmal aktiviert ist (der I-te Knoten in jedem Satz höchstens einmal aktiviert ist), um Kurzschlüsse zu vermeiden.
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Es sei nun angemerkt, dass die Ausgestaltung der Einheit und der Betrieb es physisch unmöglich machen können, dass Flüssigkeit wieder in dasselbe Modul eintritt, auch wenn der Verbindungsknoten aktiviert ist. Beispielsweise verhindert die in 1 bis 3 angenommene Ausgestaltung dies. Es sei angenommen, dass das das Modul 141 ermöglicht ist, z.B. durch Aktivierung des ersten Knotens in dem oberen Satz (bezeichnet als der erste aktivierte Knoten). Nun verhindert, auch wenn der erste Knoten in der Ausgabe des Moduls 141 aktiviert ist (bezeichnet als der zweite aktivierte Knoten), um probeweise zu ermöglichen, dass Flüssigkeit über den ersten Verteilungskanal 131 wieder in das Modul 141 eintritt, Flüssigkeit, die aufgrund des ersten aktivierten Knotens bereits den Kanal 131 füllt, die Einführung weiterer Flüssigkeit aus dem zweiten aktivierten Knoten, insbesondere da in diesem Beispiel im Kanal 131 Verengungsventile vorgesehen sind. Somit kann die Einheit so konfiguriert sein, dass Flüssigkeitskurzschlüsse verhindert werden. Wenn jedoch bereits in dem Moment, wenn eine Flüssigkeitsfront wieder in den Kanal 131 eintritt, Flüssigkeit den Kanal 131 verlassen hat, dann kann es möglich sein, dass Flüssigkeit wieder in dasselbe Modul eintritt. Dies erfordert jedoch eine genaue Steuerung von Flüssigkeitssegmenten.
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Ob Flüssigkeitskurzschlüsse ermöglicht werden oder nicht, hängt von den genauen Strukturen der Knoten und der Verteilungskanäle ab, z.B. vom möglichen Vorliegen von Abläufen, Ventilen usw. Bemerkenswert ist, dass Flüssigkeitskurzschlüsse vorteilhaft genutzt werden können, um Flüssigkeit in einem gegebenen Modul zu blockieren. Dies kann in einigen Fällen von Nutzen sein, z.B. zu Erfassungszwecken. Im Übrigen ist die Erzeugung von Kurzschlüssen typischerweise kein Problem in Einheiten, die auf Medien mit Dochteffekt realisiert werden, da die Poren letzterer einen Selbstablauf ermöglichen.
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Somit können die Einheiten der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen ermöglichen, dass ein Modul in beliebige der Module (d.h. in ein anderes Modul oder sogar in dasselbe Modul) abzweigt, obwohl Kurzschlüsse durch geeignetes Programmieren der Knoten vermieden oder aufgrund von Restflüssigkeit in den Verteilungskanälen und die Konfiguration der Einheit verhindert werden können.
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Nun werden in typischen Szenarien keine Kurzschlüsse benötigt. Stattdessen wird die Einheit typischerweise dafür konfiguriert, dass ein gegebenes Modul im Ergebnis in ein bestimmtes Modul abzweigt, welches nicht vor dem gegebenen Modul aktiviert werden soll, wie im Szenario der 4. Mit anderen Worten, die Einheit wird typischerweise so konfiguriert (d.h. programmiert), dass ermöglicht wird, dass eine Sequenz von Modulen nacheinander von Flüssigkeit erreicht wird. Dies spiegelt sich darin wider, dass jeder Verteilungskanal höchstens einmal aktiviert wird, was mögliche Probleme hinsichtlich Flüssigkeitskurzschlüssen ausschließt.
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Zusammenfassend ermöglichen Einheiten, wie in 1 bis 9 abgebildet, dass eine Flüssigkeit, die anfänglich in den Eingabe-Mikrokanal k10 eingeführt wird, durch ein oder mehrere geordnete Paare gelangt. Somit kann Flüssigkeit durch eine Sequenz verschiedener Module k4l gelangen, wobei eine Sequenz geordnete Paare von Mikrofluidik-Modulen k4l verkettet. In allen Fällen hängen die tatsächlichen Flüssigkeitswege von den Änderungszuständen der m x (m + 1) Knoten ab. Wiederum versteht es sich, dass solche Ausführungsformen buchstäblich ermöglichen, dass die Mikrofluidik-Module programmiert werden.
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Wie bereits angemerkt, sind die Knoten k20 vorzugsweise so konfiguriert, dass sie eine Flüssigkeit entweder festhalten oder durchlassen, d.h. im Ergebnis als ein AUS-EIN-Schalter fungieren. Vorzugsweise sind die Mikrofluidik-Knoten jeder der Einheiten der vorliegenden Erfindung alle funktionell ähnlich, wenn nicht alle identisch (wie in den anhängenden Zeichnungen angenommen), egal, ob sie zu dem ersten (oberen) Satz oder den zusätzlichen Sätzen von Knoten gehören. Dies vereinfacht den Entwurf und die Programmierung der Einheit. Nun können Varianten vorgesehen sein, bei welchen sich die Knoten unterscheiden. D.h., einige der Knoten können im Ergebnis als binäre Schalter fungieren, während andere Knoten feiner konfiguriert sein können, um verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten zu ermöglichen, die dort hindurch gelangen, wodurch komplexe Flüssigkeitssequenzen ermöglicht werden. Außerdem kann ein Knoten zwei (oder mehr) Auslaufanschlüsse aufweisen, wie in 10, so dass ein Modul im Ergebnis in zwei aufeinander folgende Module abzweigen kann, und dies über einen einzelnen Verbindungsknoten. Wie man erkennt, können somit viele Varianten vorgesehen sein.
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Wie in 1, 4 bis 9 dargestellt, umfassen die Mikrofluidik-Einheiten k der vorliegenden Erfindung vorzugsweise Knoten in einer Koordinaten-Schaltkonfiguration. Das heißt, solche Einheiten umfassen m + 1 Sätze von m Knoten k20, welche als ein Matrixfeld von m x (m + 1) Knoten, die zwischen einem Einlaufkanal und einem Auslaufkanal angeordnet sind, in einer Koordinaten-Schaltkonfiguration angeordnet sind. D.h., dieses Matrixfeld ist vorzugsweise rechteckig, so dass ein Matrixfeld von m + 1 erkennbaren Reihen von jeweils m Knoten gebildet wird, wodurch m Spalten gebildet werden, wie in den Beispielen der 1 und 4 bis 9. Jeder Knoten dieses Matrixfelds zweigt von einem horizontalen Kanal in einen vertikalen Kanal ab, genau wie elektronische Koordinatenschalter Schalter an jedem Schnittpunkt einer gekreuzten Struktur von Verbindungsleitungen umfassen. Der Rückgriff auf ein solches Matrixfeld vereinfacht den Entwurf der Einheit und macht sie ferner einfacher programmierbar.
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Nun verhindern in den Beispielen der 1 bis 3 die m zusätzlichen Sätze von Knoten k20 und die Verteilungs-Mikrokanäle normalerweise, dass Flüssigkeit, die von einem gegebenen der Module k4l ausgestoßen wird, später wieder in dasselbe Modul eintritt, wenn angenommen wird, dass kontinuierlich Flüssigkeit in den Eingabekanal k10 eingeführt wird, wie bereits angemerkt. Dies hat jedoch in der Praxis wenig Konsequenzen, da ein Mikrofluidik-Modul typischerweise für eine einmalige Benutzung vorgesehen ist. Somit bedeutet dies bei einer Koordinaten-Schaltkonfiguration, wobei Knoten als EIN-AUS-Schalter fungieren (wie in 1 oder 4 angenommen), dass diagonale Knoten in der Praxis wenig Verwendung finden und einfach weggelassen werden könnten.
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Deswegen können Ausführungsformen vorgesehen sein, welche eine Koordinatenkonfiguration von m x (m + 1) - m = m2 umfassen (d.h., diagonale Knoten werden weggelassen).
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In ähnlicher Weise können einige Knotenverbindungen aufgrund von bestimmten Entwurfsoptionen vorab ausgeschlossen werden, z.B. weil es praktisch keinen Sinn macht, spezielle Paare von Modulen potenziell zu verbinden. In dieser Hinsicht weisen die Mikrofluidik-Module typischerweise unterschiedliche Funktionen auf. Der Satz von Mikrofluidik-Modulen kann insbesondere eines oder mehreres aus Folgendem umfassen: eine optische Erfassungskammer (in der Einheit konfiguriert, um eine optische Erfassung zu ermöglichen); eine Fluidmischkammer und eine Reaktionskammer. Die Einheiten der vorliegenden Erfindung umfassen mindestens zwei Module und wahrscheinlicher können sie 3, 4, 8 oder noch mehr Module umfassen.
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Man betrachte beispielsweise die Mikrofluidik-Schablone der
9, welche acht verschiedene Module umfasst. Der Entwurf der
9 ist ein Versuch einer „universellen“ Mikrofluidik-Plattform, welche (von oben nach unten) drei orthogonale Strömungsmischeinheiten
541 bis
543 (wie z.B. in
US 20160279632 A1 offenbart), zwei Mikrofluidik-Reaktionskammern
544 bis
545 (wie per se bekannt), eine Mischeinheit
546 (wie per se bekannt) und zwei Erfassungsmodule
547 bis
548 (wie ebenfalls per se bekannt) umfasst. Ein solcher Chip kann während des Reagenz-Einfüllungsschritts konfiguriert werden, indem ausgewählt wird, welche Komponenten verwendet werden. Diese Chip-Schablone kann beispielsweise so konfiguriert werden, dass Multiplex-Assays, mehrstufige Reaktionen usw. realisiert werden.
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Für Zwecke optischer Erfassung wird vorzugsweise eine Seite der Einheit (auf welcher sich die Module befinden) von einer lichtdurchlässigen (z.B. transparenten) Abdeckung oder Kappe bedeckt. Jedoch können die Knoten versteckt sein (sich nicht unter einem transparenten Fenster befinden). Auf diese Weise kann ein Benutzer nach visueller Betrachtung nicht abschätzen, welche der Module aktiviert sind. In ähnlicher Weise können die hinteren Kanäle (Verteilungskanäle) versteckt sein.
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Wie in dem Beispiel der 9 zu sehen, können einige der Module eine ähnliche Funktion aufweisen, wie z.B. die Erfassungsmodule 547 bis 548. Nun können einige Verbindungen durch den Entwurf ausgeschlossen werden (z.B. muss es nicht erforderlich sein, zwei Erfassungskammern potenziell zu verbinden). Allgemeiner muss es nicht erforderlich sein, alle Paare von Modulen potenziell zu verbinden. In diesem Fall können die zusätzlichen Sätze von Knoten jeweils weniger als m Knoten umfassen. Beispielsweise kann die Einheit m zusätzliche Sätze von jeweils m - 1 Knoten umfassen, sei es, um Kurzschlüsse auszuschließen, wie bereits beschrieben. Allgemeiner können nur spezielle Paare potenziell durch Knoten verbunden sein.
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Somit und gemäß einer anderen Erscheinungsform können die Mikrofluidik-Einheiten der vorliegenden Erfindung als eine Einheit verkörpert sein, welche mindestens zwei Mikrofluidik-Module und folgerichtig einen ersten Satz von mindestens zwei Knoten (welche jeweils den Eingabe-Mikrokanal mit einem entsprechenden der Module verbinden) sowie einen zweiten Satz von mindestens zwei Knoten umfasst. Der „zweite Satz“ entspricht dem Obersatz, der durch m zusätzliche Sätze einer verringerten Anzahl (< m) an Knoten gebildet wird, verglichen mit den bereits beschriebenen Knotenkonfigurationen von m x (m + 1). Knoten in dem zweiten Satz verbinden potenziell geordnete Paare verschiedener Module. Nun kann in Übereinstimmung mit früheren Ausführungsformen ein Teilsatz der Knoten sowohl des ersten Satzes als auch des zweiten Satzes geändert werden, so dass die Knoten sowohl im ersten als auch im zweiten Satz unterschiedliche Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten aufweisen. Als ein Ergebnis gelangt Flüssigkeit, die in den Eingabe-Mikrokanal eingeführt wird, durch mindestens ein geordnetes Paar von zwei Mikrofluidik-Modulen. Die tatsächlich ermöglichte Sequenz wird wiederum durch die unterschiedlichen Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten der Knoten sowohl des ersten Satzes als auch des zweiten Satzes bestimmt.
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Jedoch, und wie die Erfinder der vorliegenden Erfindung beobachtet haben, vereinfacht eine Verringerung der Anzahl potenzieller Verbindungen in der Praxis nicht den Entwurf der Einheiten, anders als man erwarten würde. In der Tat macht dies das Konzept eines universellen Mikrofluidik-Chips sogar schwieriger. Letztendlich ist es vielleicht einfacher, einen Entwurf mit m x (m + 1) Knoten in einer Koordinaten-Schaltkonfiguration zu verwenden. Außerdem kann eine Koordinatenkonfiguration von m x (m + 1) mehr Flexibilität ermöglichen, insofern, als man möglicherweise Kurzschlüsse nutzen möchte und so eine Flüssigkeitsströmung in einem oder mehreren Modulen stoppen möchte, z.B. zu Erfassungszwecken, wie bereits beschrieben.
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Wie in 1 bis 3, 7 veranschaulicht, sind die Komponenten der Mikrofluidik-Einheiten k der vorliegenden Erfindung vorzugsweise gemäß verschiedenen parallelen Niveaus der Einheit angeordnet. Ein Niveau ist eine Unterteilung der Einheit, d.h. ein Abschnitt parallel zu der Hauptebene. Unter der Annahme, dass es sich bei der Mikrofluidik-Einheit annähernd um ein Parallelepiped-Volumen handelt, kann ein gegebenes Niveau als ein Parallelepiped-Abschnitt dieses Volumens angesehen werden. Das heißt, wenn die Einheit N Niveaus aufweist (N = 2, 3, ...), dann kann die Einheit so angesehen werden, dass sie in einen Parallelepiped-Eingrenzungskasten der Höhe h passt, welcher in N benachbarte Volumenabschnitte der Höhe hi partitioniert werden kann, so dass Σ hi = h. Komponenten dieser Einheit erstrecken sich dann im Wesentlichen in dem einen oder anderen dieser Volumenabschnitte.
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Wie beispielsweise durch die Strukturen gestrichelter und gepunkteter Linien der 1 bis 3 vorgeschlagen, können der Eingabe-Mikrokanal 110 und die Ausgabe-Mikrokanäle 111 auf einem ersten (oberen) Niveau der Einheit definiert sein, während die Verteilungs-Mikrokanäle 13l auf einem zweiten (unteren) Niveau der Einheit definiert sind. Jedes Niveau kann durch eine entsprechende Schicht oder durch mehrere Schichten verkörpert sein, wie später in Bezug auf 5 bis 7 beschrieben. Außerdem ist zwischen dem ersten und dem zweiten Niveau (der ersten und der zweiten Schicht) aus Gründen, die nachstehend erläutert werden, vorzugsweise ein Zwischenniveau (oder eine Zwischenschicht) beteiligt. Diese Anordnungen ermöglichen transversale 3D-Kanalkonfigurationen, wobei z.B. sowohl der Eingabekanal als auch die Ausgabekanäle parallel zu einer ersten Richtung auf einem ersten Niveau angeordnet sind, während die Verteilungskanäle parallel zu einer zweiten Richtung (transversal zu der ersten Richtung) auf einem zweiten Niveau angeordnet sind. Solche transversalen Kanalkonfigurationen ermöglichen, dass kompaktere Anordnungen der Kanäle entworfen werden und dadurch Einheiten verkleinerter Standfläche erreicht werden. Transversale Kanalkonfigurationen sind besonders wünschenswert in Ausführungsformen, die auf Koordinaten-Schaltkonfigurationen der Knoten beruhen.
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Nun kann vorteilhaft auf 3D-Knoten zurückgegriffen werden, um transversale 3D-Kanalkonfigurationen zu ermöglichen, wie bereits beschrieben. Beispielsweise umfassen, Bezug nehmend auf 2, 3, 7C und 7D, einige oder (vorzugsweise) alle der Knoten k20 der m + 1 Sätze von m Knoten jeweils: einen Einlaufanschluss; einen Hohlraum; eine Durchlassöffnung und einen Auslaufanschluss.
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Wie in 2, 3 oder 7C und 7D zu sehen, kann der Hohlraum k23 jedes Knotens k20 einer Einheit k auf dem ersten Niveau der Einheit ausgebildet sein, wobei der Hohlraum k23 oben offen ist. Der Einlaufanschluss k21 ist ebenfalls auf dem ersten Niveau der Einheit ausgebildet. Der Einlaufanschluss k21 zweigt von dem Eingabe-Mikrokanal k10 (oder einem der Ausgabe-Mikrokanäle k1l) ab und kommuniziert mit dem Hohlraum k23 durch einen Zugang zu diesem. Der Auslaufanschluss k25 zweigt zu einem der Verteilungs-Mikrokanäle k3l auf dem zweiten Niveau ab. Als Nächstes erstreckt sich eine Durchlassöffnung k24 von dem Hohlraum k23 zu dem Auslaufanschluss k21, so dass der Hohlraum k23 mit dem Auslaufanschluss k25 kommuniziert. Die Durchlassöffnung k24 erstreckt sich typischerweise senkrecht zu einer Mittelebene des ersten und zweiten Niveaus, d.h. in einem Zwischenniveau zwischen dem ersten und dem zweiten Niveau der Einheit. Der Auslaufanschluss k25 kann eine eher komplexe Struktur aufweisen (wie in 2, 3 und 10) oder kann in Varianten als eine bloße Öffnung definiert sein, welche einen unteren Teil der Durchlassöffnung k24 begrenzt (wie in 7A bis 7D).
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Außerdem umfasst der Hohlraum k23 ein Flüssigkeitssperrelement k22 oder ist auf sonstige Weise davon verschlossen. Dieses Element ist im Allgemeinen so konfiguriert, dass es verhindert, dass eine wässrige Flüssigkeit, die den Einlaufanschluss k21 füllt, den Auslaufanschluss k25 des Knotens erreicht.
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Dass der Hohlraum k23 oben offen ist, macht es einfacher, ihn herzustellen; es ist zum Beispiel ausreichend, den Hohlraum 123 und den Eingabe-Mikrokanal 110 (1 bis 3) in der oberen Dicke eines Silicium(Si)-Substrats zu ätzen, wie in dem Beispiel der 1. Außerdem macht dies den Hohlraum einfach von oben zugänglich, was Operationen vereinfacht, die erforderlich sind, um das Sperrelement zu ändern. Man kann beispielsweise (vor dem Abdecken der Einheit) ein Benetzungsmaterial 129 auftragen oder das Flüssigkeitssperrelement 122 von oben entfernen (oder auf andere Weise ändern), um die Festhaltefähigkeit des Knotens zu verringern. Wenn lediglich ein binärer Schalter gewünscht wird, kann das Sperrelement so geändert werden, dass lediglich der Hohlraum 123 aktiviert und eine Flüssigkeitszirkulation dort hindurch ermöglicht wird. Letztendlich ermöglicht dies, dass eine wässrige Flüssigkeit in den Hohlraum k23 eintritt und dann den Auslaufanschluss k25 des Knotens k20 erreicht.
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Auf diese Weise wird ein änderbarer (z.B. aktivierbarer oder deaktivierbarer) Knoten mit mehreren Niveaus erreicht, welcher ermöglicht, dass ein 3D-Mikrofluidik-Kreislauf auf Grundlage des Änderungszustands des Sperrelements (der Sperrelemente) des Hohlraums k23 konfiguriert (und möglicherweise rekonfiguriert) wird. Die 3D-Konfiguration des Knotens macht ihn für eine Verwendung in einem Kreislauf mit mehreren Niveaus geeignet, welcher transversale Kanäle umfasst, wie in 1 oder 8.
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Zur Vereinfachung weist ein Knoten typischerweise nur einen Eingabeanschluss und einen Ausgabeanschluss auf, wie in den Beispielen der 1 bis 9. Es sind jedoch weiter entwickelte Varianten vorhersehbar, wobei ein Knoten beispielsweise zwei Ausgabeanschlüsse aufweist, wie in 10 dargestellt. In diesem Fall ermöglicht eine Aktivierung eines einzelnen Knotens, dass zwei Module gleichzeitig aktiviert werden.
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Wie ferner in 2 bis 9 angenommen, erstreckt sich die Durchlassöffnung k24 vorzugsweise auf einem Zwischenniveau der Einheit zwischen dem ersten Niveau und dem zweiten Niveau. Die Durchlassöffnung erstreckt sich ferner von einer unteren Seite des Hohlraums k23 (gegenüber der oberen Seite) nach unten zu dem Auslaufanschluss k25. Ein solcher Entwurf vereinfacht die Herstellung einer Einheit mit transversalen Kanälen. In der Tat reicht es aus, die Durchlassöffnungen von der unteren Seite der Hohlräume zu öffnen. Dabei vereinfacht das Einrichten eines Zwischenniveaus zwischen äußeren Niveaus den Entwurf von Einheiten mit transversalen Kanälen, da dieses Zwischenniveau Kurzschlüsse zwischen den transversalen Kanälen verhindert. Das heißt, das Zwischenniveau erstreckt sich zwischen äußeren Niveaus, auf welchen die Kanäle k10, k1l und k3l vorgesehen sind. Da die transversalen Kanäle typischerweise auf ihren entsprechenden Niveaus oben offen sind (sie können zum Beispiel geätzt, ausgehöhlt oder auf andere Weise auf den oberen Dicken einer Materialschicht gebildet werden), macht es das Zwischenniveau möglich, die Kanäle zu schließen, die auf einem unteren Niveau definiert sind, und Kurzschlüsse mit Kanälen zu verhindern, die auf dem oberen Niveau definiert sind.
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Eine Knotenstruktur, wie oben beschrieben, ist einfach zu reproduzieren und so kann einfach eine Mehrzahl solcher Knoten erhalten werden, welche für eine Verwendung in einer Koordinaten-Schaltkonfiguration besonders geeignet sind, zusammen mit nicht-parallelen Kanälen auf verschiedenen Niveaus der Einheit. Letztendlich ermöglichen solche Knoten zusammen mit einer transversalen Kanalkonfiguration, dass die Standflächen der Einheiten verkleinert werden.
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In Ausführungsformen, wie in 1 bis 3 und 10 abgebildet, ist das Flüssigkeitssperrelement eine Festhaltestruktur 122, die am Zugang zu dem Hohlraum 123 ausgebildet ist. Die Festhaltestruktur 122 ist so konfiguriert, dass sie eine Flüssigkeits-Füllfront einer wässrigen Flüssigkeit am Zugang zu dem Hohlraum 123 stoppt (oder zumindest deren Fortschreiten einen Widerstand entgegensetzt). Dies macht es besonders einfach, den Hohlraum zu aktivieren. In der Tat kann, da das Festhalteelement 122 genau am Zugang zu dem Hohlraum angeordnet ist, der Raum, der in dem Hohlraum frei bleibt, bequem genutzt werden, um ein Benetzungsmaterial 129 aufzutragen oder die Festhaltestruktur 122 auf andere Weise zu ändern, um die Festhaltefähigkeit des Knotens zu ändern. Die Festhaltestrukturen werden typischerweise von oben geändert. Die Einheit kann immer noch in einer späteren Phase versiegelt werden, z.B. durch Abdecken aller offenen Strukturen von oben mit einem Deckel, wie es auf dem Fachgebiet üblich ist.
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Wie in 2, 3 oder 11 dargestellt, wird die Flüssigkeits-Festhaltestruktur 122 vorzugsweise durch einen Öffnungswinkel Θ1 des Hohlraums 123 gebildet, wobei der Winkel vorzugsweise 90° bis 160° beträgt. Dieser Winkel kann jedoch auch 60° bis 90° betragen, vorausgesetzt, hydrophobe Wände werden verwendet, wie bereits erläutert. Dieser Öffnungswinkel wird zwischen einer mittleren Flüssigkeits-Strömungsrichtung am Eingabeanschluss (d.h. entlang -y) und einer oder mehreren Wänden des Hohlraums 123 um den Zugang herum gemessen, wobei sich solche Wände in einer Ebene parallel zu (x, z) erstrecken, wie in 2 zu sehen. Beispielsweise kann dieser Winkel 90° betragen, d.h. die Wand ist als eine gerade Wand ausgebildet (die sich senkrecht zur Flüssigkeitseinlaufrichtung –y erstreckt) zu welcher der Einlaufanschluss führt.
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In weiter entwickelten Ausführungsformen ist dieser Winkel deutlich größer als 90° (d.h. er beträgt 110° bis 160°). In allen Fällen wird, wenn man eine Situation betrachtet, wobei Flüssigkeit den Einlaufanschluss mit einem voranschreitenden Kontaktwinkel füllt, durch die Vergrößerung, d.h. die Aufweitung am Eingang in den Hohlraum, eine Winkelkomponente hinzugefügt, welche das Fortschreiten des Meniskus in den Hohlraum behindert. Ein besonders zufriedenstellender Wert für diesen Winkel ist 135°.
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In den Beispielen der 2, 3 und 10 weist der Zugang zu dem Hohlraum 123 ferner eine Breite (gemessen entlang der Achse x) auf, die geringer ist als die Tiefe (gemessen entlang z). Wände des Hohlraums auf jeder Seite des Zugangs sind durch einen Spalt getrennt, welcher der Breite des Zugangs entspricht. Die Wände bilden demgemäß zwei gegenüberliegende Öffnungswinkel Θ1 in dem Hohlraum, wobei jeder Winkel 60° bis 160° beträgt. Der Einlaufanschluss 121 kann sich beispielsweise entlang einer Hauptachse des Hohlraums 123 (parallel zur Achse y) erstrecken, so dass der Zugang in dem Hohlraum zentriert ist. Auf diese Weise werden auf jeder Seite des Spalts zwei seitliche Ränder 122 gebildet, was wiederum die zwei Öffnungswinkel Θ1 ergibt. Da außerdem die Tiefe des Zugangs größer als die Breite ist, kann Flüssigkeit, die am Zugang zu dem Hohlraum seitlich festgehalten wird, nicht durch Kapillarität die Festhaltebarriere überwinden, d.h. indem sie im Betrieb sowohl einen Boden des Einlaufanschlusses und des Hohlraums als auch eine gegenüberliegende Abdeckung benetzt.
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Am besten ist es, wenn der Zugang am Eingang des Hohlraums 123 zentriert ist. In Varianten kann jedoch der Zugang seitlich (entlang x) dezentriert sein, was zu einem lediglich teilweisen Festhalten von Flüssigkeit führen kann. In anderen Varianten können andere Festhaltestrukturen (z.B. Säulen oder andere Mikrofluidik-Strukturen), daran beteiligt sein die Flüssigkeit festzuhalten.
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Wie in 3 veranschaulicht, kann der Knoten der 2 einfach geändert werden, z.B. durch ein Benetzungsmaterial 129, welches an den Flüssigkeits-Festhaltestrukturen 122 aufgetragen wird. Dieses Benetzungsmaterial ermöglicht einer Flüssigkeit, welche den Einlaufanschluss 121 füllt, im Betrieb trotz der Flüssigkeits-Festhaltestruktur 122 den Auslaufanschluss 125 zu erreichen. Das Benetzungsmaterial 129 kann beispielsweise Benetzungschemikalien umfassen, die an den Stellen der Festhaltestrukturen 122 aufgetragen werden, oder Benetzungsmikropartikel, eine Flüssigkeit, einen Farbstoff, ein Salz oder ein Tensid. Allgemeiner könnte dies ein beliebiges Material sein, dessen Restmaterial (sobald es getrocknet ist) durch eine wässrige Flüssigkeit wie Wasser oder eine wässrige Lösung benetzbar ist.
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In Varianten können die Flüssigkeits-Festhaltestrukturen 122 physikalisch (statt chemisch) geändert werden, um zu ermöglichen, dass die Flüssigkeit den Auslaufanschluss 125 erreicht. Beispielsweise können die gegenüberliegenden Zugangsränder 122 des Hohlraums physikalisch geändert werden, um die Öffnungswinkel zu glätten, so dass eine Flüssigkeits-Füllfront den Zugang passieren und den Hohlraum 123 benetzen kann. Dies macht es jedoch typischerweise schwieriger, die Knoten zu konfigurieren.
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In dem Beispiel der 2, 3 und 10 ist der Hohlraum standardmäßig deaktiviert (d.h. normalerweise AUS). In diesem Fall werden nur jene Knoten geändert, die aktiviert werden müssen (um gewünschte geordnete Paare von Modulen einzuschalten), was einfach dank Hohlräumen erreicht wird, die oben offen sind (vor der Versiegelung).
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In Ausführungsformen, wie in 1 bis 3 abgebildet, können die Einlaufanschlüsse 121 von Knoten desselben (z.B. horizontalen) Satzes 120 von Knoten unterschiedliche hydraulische Widerstände aufweisen. Die Breite des Einlaufanschlusses 121 und so der Zugang zu dem Hohlraum beeinflussen die Festhaltefähigkeit des Knotens. Einlaufanschlüsse unterschiedlicher hydraulischer Widerstände können somit genutzt werden, um die Unterschiede in den Strömungsgeschwindigkeiten von Flüssigkeit auszugleichen, welche die versetzten Einlaufanschlüsse von Knoten desselben Satzes erreicht, egal, ob sie von dem Eingabekanal 110 oder irgendeinem der Ausgabekanäle 111 abzweigen. Beispielsweise kann die Breite und/oder die Länge der Einlaufanschlüsse 121 variiert werden, da der hydraulische Widerstand insbesondere von der Geometrie der Leitungen abhängt.
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Wie ferner in 2, 3 und 11 veranschaulicht, können die Auslaufanschlüsse 125 der Knoten 120 gegebenenfalls ein Fluidströmungs-Verengungsventil 126 umfassen, um zu verhindern, dass eine wässrige Flüssigkeit in dem Verteilungs-Mikrokanal 131, der an dem Auslaufanschluss 125 abzweigt, die Durchlassöffnung 124 erreicht. Dieses Ventil 126 ist vorgesehen, um zu verhindern, dass Flüssigkeit in dem Verteilungskanal in diesen Knoten eintritt. D.h., die Festhaltefähigkeit des Ventils 126 des Auslaufanschlusses 125 hängt von der Strömungsrichtung ab. Für eine hereinkommende Strömung weist es eine höhere Festhaltefähigkeit auf als der Teil des Mikrokanals 131 auf dem Niveau der Verbindungsstelle 13/J, an welcher der Auslaufanschluss 126 abzweigt. Das Ventil 126 kann zum Beispiel zwei gegenüberliegende Öffnungswinkel für eine Flüssigkeitsströmung bilden, die von dem abgezweigten Verteilungskanal 131 kommt, genau wie die Flüssigkeits-Festhaltestrukturen 122 am Zugang zu dem Hohlraum.
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Wie in 2 oder 3 zu sehen, zweigt der Auslaufanschluss 125 auf dem Niveau einer Verbindungsstelle 13/J, welche vorzugsweise ein Fluidströmungs-Verengungsventil 13/C auf einer Seite dieser Verbindungsstelle 13/J umfasst, zu einem Verteilungs-Mikrokanal 131 ab. Dieses zusätzliche Ventil zwingt eine wässrige Flüssigkeit, die durch den Auslaufanschluss 125 ausgestoßen wird, in die Richtung -y. Jedoch, und wie in 2 zu sehen, kann eine wässrige Flüssigkeit, die von der anderen Seite der Verbindungsstelle kommt, das Ventil 13/Cpassieren. Somit fungieren der Auslaufanschluss 125 und das Ventil 131C des zweiten Mikrokanals 131 als eine Diode. Dies macht es möglich, dass eine Spalte von Knoten zu demselben Verteilungs-Mikrokanal abzweigt. Dabei verhindert das Ventil 126, dass Flüssigkeit, die bereits in dieser Spalte vorhanden ist (die möglicherweise von höheren, aktivierten Knoten kommt), in den Knoten eintritt.
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In Ausführungsformen wird das Fluidströmungs-Verengungsventil 13IC durch unterschiedlich geformte Abschnitte S1, S2 des Kanals 131 gebildet, wie in 10 abgebildet. Der erste Abschnitt S1 ist kegelförmig und führt zu dem zweiten Abschnitt S2, welcher einen größeren mittleren Durchmesser als der erste Abschnitt aufweist, so dass im zweiten Abschnitt ein Öffnungswinkel Θ2 geschaffen wird, welcher wiederum 60° bis 160° betragen kann. Der Öffnungswinkel Θ2 wird zwischen einer Haupt-Längsachse des Auslaufkanals 131 (parallel zu y) um das Verengungsventil und einer oder mehreren Wänden des zweiten Abschnitts S2 gemessen, zu welchem der kegelförmige Abschnitt S1 führt. Somit wird eine Flüssigkeitsströmung, die von dem ersten Abschnitt S1 kommt, am Zugang zu dem zweiten Abschnitt S2 festgehalten, während eine Flüssigkeitsströmung, die aus der Gegenrichtung kommt, die Verengung 13/Cpassieren kann.
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Bei 1 werden Mikrofluidik-Strukturen angenommen, die in Silicium-Chips geätzt werden. In anderen Ausführungsformen können Polymerchips durch Spritzgießtechniken hergestellt werden, wie in 5 und 6 dargestellt. In wiederum anderen Ausführungsformen können Medien mit Dochteffekt als eine Basis zum Bilden der verschiedenen benötigten Strömungswege verwendet werden, wie in 7A bis 7D angenommen.
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1 und 4 zeigen einen 3D-Mikrofluidik-Chip, der in Silicium hergestellt ist und vier Mikrofluidik-Module aufweist (d.h. in diesem Fall leere Kammern, obwohl zu Zwecken der besseren Sichtbarkeit in 4 schwarze Lebensmittelfarbstoffe abgeschieden worden sind). Auf jeder Seite des Silicium-Kernchips sind Kanäle strukturiert, welche umfassen: einen Eingabekanal 110, die Module 141 bis 144 und vier Ausgabekanäle 111 bis 114 auf einer Seite und vier Verteilungskanäle 131 bis 134 auf der anderen Seite. Durchlassöffnungen 124, 131V bis 134V stellen eine Fluidkommunikation von einer Seite zu der anderen sicher. Zwanzig Leitwegführungsknoten sind zwischengelagert, um für eine vollständige Kontrolle über die Strömungswege zu sorgen. Die Strömungswegflächen können zum Beispiel silanisiert (mit Trichloroctylsilan) sein, um Benetzungsflächen zu erhalten. Die Mikrokanaltiefen betragen etwa 20 µm. Die Mikrofluidik-Strukturen sind auf beiden Seiten des Chips mit PDMS-Abdeckungen bedeckt. Eine solche Einheit ermöglicht typischerweise Fluid-Strömungsgeschwindigkeiten von 1,5 µm/min.
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In Ausführungsformen, wie in 5 bis 7 veranschaulicht, umfassen die Mikrofluidik-Einheiten k (k = 2, 3, 4) zwei, drei oder mehr Schichten k1 bis k3, welche zwei oder mehr Niveaus der Einheiten verkörpern, wie bereits beschrieben. Das heißt, die mehreren Niveaus der Einheit werden durch mehrere Schichten sichergestellt. Es sei jedoch angemerkt, dass sich die Anzahl der Niveaus der Einheit (typischerweise drei) von der tatsächlichen Anzahl der verwendeten Materialschichten unterscheiden kann, welche höher oder niedriger sein kann, was von dem aktuell angewendeten Herstellungsverfahren abhängt.
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Im Detail weist jede der Einheiten, die in 5 bis 7 dargestellt sind, Knoten auf, die eine identische Struktur aufweisen. In 6 und 7 sind der Eingabekanal k10, die Ausgabe-Mikrokanäle k1l, der Hohlraum k23 und der Einlaufanschluss k21 der Knoten alle in einer ersten Schicht k1 ausgebildet, während die Verteilungs-Mikrokanäle k3l in einer zweiten Schicht k2 ausgebildet sind. In den Entwürfen der 7A bis 7D wird eine zusätzliche Zwischenschicht benötigt. Dennoch kann ein Mikrofluidik-Chip in einem einzigen Spritzgießschritt gebildet werden, wie in 5. Somit können die Einheiten der vorliegenden Erfindung im Ergebnis eine, zwei oder drei (oder sogar mehr) Schichten von Materialien umfassen, ungeachtet möglicher Abdeckungs-/Deckelschichten. Zum Vergleich umfasst die Einheit der 1 im Wesentlichen eine Silicium-Schicht, die geeignet strukturiert und dann auf jeder Seite abgedeckt wird.
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In 5 wird auf zwei Formkomponenten m1, m2 zurückgegriffen, welche geeignet strukturiert sind, wodurch ein einziger Spritzgießschritt ausreicht, um den Polymerchip 2 direkt herzustellen. Das heißt, zum Formen werden gleichzeitig zwei Formeinsätze m1, m2 verwendet. Einer m1 der Formeinsätze weist zwei Tiefenniveaus auf, eines zur Herstellung der Mikrokanäle und das andere zur Herstellung der Durchlassöffnungen.
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In 6, sind zwei Schichtkomponenten 31, 32 zusammengesetzte Polymerschichten, die dank zweier Formeinsätze m1, m2a erhalten werden. Der Formeinsatz m1 der 6 ist grundsätzlich derselbe wie der Einsatz m1 der 5, während m2a der zu m2 spiegelsymmetrische ist. In diesem Fall werden zwei Spritzgießschritte angewendet. D.h., die untere Schicht 32 und die obere Schicht 31 werden getrennt hergestellt, durch Einspritzen von Material zwischen jedes Paar von Formkomponenten m1, m1a und m2a, m2b. Anschließend werden die zusammengesetzten Schichten 31 und 32 verbunden. Das heißt, einerseits die obere Schicht und die Durchlassöffnungen und andererseits die untere Schicht werden unabhängig unter Verwendung einzelner Formeinsätze in zwei unabhängigen Formschritten hergestellt.
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In Ausführungsformen, wie in 7 bis 8 veranschaulicht, wird ein Medium mit Dochteffekt (wie z.B. ein faseriges/poröses Medium wie Papier oder ein Nitrocellulosematerial) als eine Basis zum Bilden der Strömungswege verwendet. Die Grenzen der Strömungswege können beispielsweise durch ein hydrophobes Material wie Wachs gebildet werden (d.h. die Strömungswege sind durch Wachsdruck erzeugt). Namentlich sind die Eingabe- und Ausgabekanäle, die Knotenhohlräume und die Einlaufanschlüsse auf einer oberen Schicht 41 definiert, während die Verteilungskanäle auf der unteren Schicht 42 definiert sind.
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Hier sind die Durchlassöffnungen 424 der Knoten 420 in einer Zwischenschicht 43A, 43B ausgebildet, die zwischen der ersten Schicht 41 und der zweiten Schicht 42 angeordnet ist. Die Zwischenschicht 43A, 43B kann als eine Polymer-Dünnschicht bereitgestellt werden, welche die erste und die zweite Schicht 41, 42 trennt. In dieser Dünnschicht können Öffnungen an Stellen ausgebildet sein, welche den Hohlräumen 423 entsprechen, um Durchlassöffnungen 424 zu definieren und somit eine Fluidkommunikation zu ermöglichen. Es können zwei verschiedene Ansätze vorgesehen sein, wie in 7A bzw. 7B verfolgt, bei denen die Knoten 420 normalerweise AUS ( 7A, wobei die Dünnschicht 43A im Wesentlichen jeden Hohlraum 423 von unten versiegelt) oder normalerweise EIN (7B, wobei die Dünnschicht 43B hier durchstochen wird, um jeden Hohlraum 423 zu öffnen) sein können.
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Obwohl in den Beispielen der 7 bis 8 Medien mit Dochteffekt 41, 42 verwendet werden, im Gegensatz zum Silicium in 1 oder den Polymermaterialien in 5 bis 6, zeigt ein Vergleich der 1, 5 bis 6 und 7A bis 7B, dass dennoch ähnliche Strukturen von Mikrokanälen und Hohlräumen für die Einheiten 1 bis 4B erreicht werden können. Beispielsweise ist in 7 bis 8 jeder Hohlraum 423 auf einem oberen Niveau der Einheit vorgesehen (verkörpert durch die Schicht 41). Außerdem sind die Hohlräume als Durchgangsöffnungen in der oberen Schicht 41 ausgebildet (so dass sie insbesondere oben offen sind). Ein Einlaufanschluss 421 bildet die Verbindungsstelle zwischen einem Einlauf-Mikrokanal 410 bis 414 und einem entsprechenden Hohlraum auf der ersten Schicht 41 (vgl. auch 7C, 7D). Auslauf-Mikrokanäle 431 bis 434 sind in einem unteren Niveau vorgesehen, verkörpert durch die Schicht 42 in 7. Eine geeignete Polymer-Dünnschicht 43A, 43B ist zwischen den zwei Schichten 41, 42 eingefügt. Durchstoßene Löcher 424, 431V bis 434V spielen die Rolle von Durchlassöffnungen. Die unteren Ränder der Durchlassöffnungen 424 spielen die Rolle von Auslaufanschlüssen 425 der Hohlräume, welche eine Fluidkommunikation in Richtung der unteren Mikrokanäle 431 bis 434 ermöglichen.
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Die eingefügte Dünnschicht 43A, 43B kann lediglich an ausgewählten Stellen durchstochen werden, um entsprechende Knoten zu aktivieren (wie in 7A). D.h., die Einheit ist normalerweise AUS und ausgewählte Knoten werden in diesem Fall aktiviert. In der Ausführungsform der 7A spielen nicht entfernte Teile der Dünnschicht 43A die Rolle der Flüssigkeitssperrelemente (vgl. 8), welche Flüssigkeit an den entsprechenden Knoten blockieren.
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Umgekehrt wird in der Ausführungsform der 7B die Dünnschicht 43B an allen Knotenstellen durchstochen, so dass die Einheit normalerweise EIN ist. Dies bedeutet, dass in diesem Fall ein Teilsatz der Knoten deaktiviert werden muss. Zu diesem Zweck kann in den Hohlräumen ein Flüssigkeitssperrelement 422 hinzugefügt werden. Dieses Element 422 kann beispielsweise durch ein veränderbares Element gebildet werden, z.B. eine hydrophobe Barriere 422, die in dem Hohlraum angeordnet wird oder letzteren auf andere Weise versiegelt. Die hydrophobe Barriere kann zum Beispiel eine entfernbare Substanz (z.B. Wachs) sein, die in dem Hohlraum eingefügt wird.
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Nun können durch ein automatisches Verfahren während einer Herstellungsstufe alle Hohlräume systematisch mit solchen hydrophoben Barrieren 422 gefüllt werden. Auf diese Weise kann bewirkt werden, dass die Einheit normalerweise AUS ist. Später kann ein Operator, der die Mikrofluidik-Schabloneneinheit anwendungsspezifisch ausgestalten möchte, somit einfach ausgewählte der hydrophoben Barrieren entfernen, so dass vom Benutzer nur jene Knoten geändert werden müssen, die im Ergebnis EIN sein müssen. Im Allgemeinen kann man versuchen, Flüssigkeitssperrelemente 422 zu verwenden, welche einfach entfernbar sind, wie z.B. Wachs, welches einfach geschmolzen oder einfach in einem geeigneten chemischen Lösungsmittel gelöst und dann abgesaugt werden kann.
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8 zeigt eine Draufsicht auf eine Einheit gemäß 7B. 8 kann auch so angesehen werden, dass sie aus dem Entwurf der 7A resultiert, wobei die schwarzen Scheiben Teilen der Zwischendünnschicht 43A entsprechen, welche nicht entfernt worden sind. In Abhängigkeit von der angestrebten Anwendung, den verwendeten Materialien und dem benötigten Verhältnis aktivierter Knoten zu nicht-aktivierten (oder deaktivierten) Knoten kann einer der beiden Ansätze, die in 7A und 7B veranschaulicht sind, geeigneter sein als der andere.
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Beide Ansätze der 7A und 7B machen es möglich, die Knoten zu rekonfigurieren, da Wachsstücke eingefügt und nach Bedarf entfernt werden können. In die Einheit der 7A können einfach zusätzliche Löcher gestochen werden und einige der Löcher können versiegelt werden, z.B. unter Verwendung von Wachs, falls erforderlich. Aufgetragene Chemikalien 129 können ebenfalls entfernt und in einer Einheit neu positioniert werden, wie in 1 oder 4. Jedoch ist das Rekonfigurieren eines Chips, wie in 4, im Prinzip schwieriger als das Rekonfigurieren einer Einheit, wie in 7A und 7B dargestellt.
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In Bezug auf die Abmessungen sind die in 1, 4 bis 6 abgebildeten Einheiten vorzugsweise wie folgt abgemessen. Jeder der Eingabe-Mikrokanäle, der Verteilungs-Mikrokanäle und der Ausgabe-Mikrokanäle weist eine Tiefe auf, die 10 µm bis 100 µm beträgt (die Tiefe wird entlang der Achse z in 1 gemessen). Die Tiefen aller Kanäle (einschließlich der Einlaufanschlüsse) kann beispielsweise etwa 20 µm betragen. Außerdem weisen der Eingabe-Mikrokanal, die Verteilungs-Mikrokanäle und die Einlaufanschlüsse vorzugsweise dieselbe Tiefe auf.
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Die Breite der Kanäle (gemessen entlang der Achse x oder y in 1) beträgt typischerweise 10 µm bis 200 µm (und vorzugsweise 10 µm bis 25 µm). Die Kanalbreiten spielen in den Fluidverbindungen jedoch keine entscheidende Rolle. Der Einlaufanschluss weist eine Breite auf, die vorzugsweise 5 µm bis 50 µm beträgt. Außerdem weist die Durchlassöffnung einen mittleren Durchmesser auf, der typischerweise 25 µm bis 200 µm (und vorzugsweise 50 µm bis 100 µm) beträgt, gemessen in einer Ebene parallel zu (x, y). Es sind relativ große Abmessungen der Durchlassöffnungen vorgesehen, um keinen zusätzlichen hydraulischen Widerstand auf dem Niveau der Durchlassöffnungen hinzuzufügen und die Fluidverbindung nicht zu beeinträchtigen. Dies vereinfacht im Übrigen ebenfalls die Herstellung der Durchlassöffnungen. Die Dicke der Zwischenschicht(en), in der (denen) die Durchlassöffnungen ausgebildet sind, muss typischerweise mehr als 1 nm betragen und beträgt vorzugsweise mehr als 1 µm, aus Gründen der mechanischen Robustheit.
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Solche Abmessungen gelten typischerweise für Chips, d.h. Einheiten, deren Kernchips in Silicium oder durch Spritzgießen hergestellt sind. Einheiten, die auf Medien mit Dochteffekt beruhen (7 bis 8) weichen in den Abmessungen typischerweise ab. Beispielsweise sind Wachsdruckeinheiten typischerweise wie folgt dimensioniert. Die minimale Breite (in der Ebene) von Wachsdruck-Kanalseitenwänden kann in der Größenordnung von 300 µm (nach dem Drucken) und 850 µm (nach einer Wärmebehandlung aufgrund des Ausbreitens des Wachses) liegen. Die Tiefe wird durch die Dicke der Medien mit Dochteffekt (typischerweise mehr als 100 µm) bestimmt. Die Kanalbreite (d.h. die Trennung in der Ebene zwischen den Wachsdruck-Seitenwänden) kann nach der Wärmebehandlung zum Beispiel 100 µm bis 1000 µm betragen, mit einer typischen Standardabweichung von 50 µm. Die Kammern der Module können breiter sein, falls erforderlich.
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Es sind Ausführungsformen beschrieben worden, bei welchen einfach hergestellte Matrixfelder von Knoten bestimmen, in welcher Reihenfolge eine Flüssigkeit durch ein oder mehrere Mikrofluidik-Module gelangt. In bevorzugten Ausführungsformen wird das Matrixfeld von Knoten flexibel programmiert, indem eine feste Knotengeometrie mit einem Abscheiden von Chemikalien in einem Teilsatz der Knoten kombiniert wird. Solche Knoten werden programmiert um Mikrofluidik-Chips zu funktionalisieren, so dass die effektiven Fluidwege nach der Chipherstellung konfiguriert werden, z.B. lediglich durch Auftragen von Chemikalien. So kann ein universeller Mikrochip vorgesehen sein, welcher verschiedene Mikrofluidik-Module enthält. Durch Aktivieren spezieller Knoten werden die Module bestimmt, die für spezielle Notwendigkeiten benutzt werden.
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In Ausführungsformen können Mikrofluidik-Einheiten, wie hierin beschrieben, als Testeinheiten realisiert sein, d.h. als Einheiten, die allgemein für diagnostisches Testen konfiguriert sind. D.h., mindestens eines der m Mikrofluidik-Module weist einen Strömungsweg auf, der Reagenzien zum Ermöglichen des diagnostischen Testens aufweist. Das diagnostische Testen bezieht sich auf medizinische Diagnostik und allgemeiner auf ein Bestimmen oder eine Analyse des Grundes oder der Natur eines Problems oder einer Situation. Bei solchen Testeinheiten kann es sich insbesondere um eine tragbare Einheit, d.h. eine Handeinheit, wie z.B. ein Blutzucker-Messgerät, einen Messstab oder einen Testsatz zum Erfassen eines oder mehrerer Analyten (z.B. Homocystein, C-reaktives Protein, glykiertes Hämoglobin oder HBA1C, HIV-Speichel-Assay, Test auf Herz-Marker, Tests zum Erfassen von Allergenen oder genetisch modifizierten Organismen, für die Erfassung von Pestiziden und Schadstoffen usw.) oder einen Schwangerschaftstest handeln. Allgemeiner kann es sich um einen beliebigen Typ von Einheiten für schnelle diagnostische Tests (Rapid Diagnostic Tests, RDT) handeln, d.h. Einheiten, die für schnelle und einfache medizinische diagnostische Tests verwendet werden. RDT-Einheiten ermöglichen typischerweise, dass innerhalb von wenigen Stunden oder schneller Ergebnisse erhalten werden. Sie umfassen insbesondere Testeinheiten für patientennahe Tests (Point-of-Care-Tests, POC-Tests) und rezeptfreie Tests (Over-The-Counter-Tests, OTC-Tests). Ferner kann eine Testeinheit, wie sie hierin verstanden wird, verwendet werden, um Analysen durchzuführen, die über die medizinische Diagnostik hinausgehen, zum Beispiel zum Erfassen von Toxinen in Wasser usw. Es gibt potenziell zahlreiche Anwendungen für solche Testeinheiten, wie der Fachmann erkennen wird.
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Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen und Varianten und in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben worden ist, versteht der Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Ersetzungen durch Äquivalente erfolgen können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Insbesondere kann ein Merkmal (Vorrichtungsmerkmal oder Verfahrensmerkmal), das in einer gegebenen Ausführungsform oder Variante zitiert oder in einer Zeichnung dargestellt ist, in einer anderen Ausführungsform, Variante oder Zeichnung mit einem anderen Merkmal kombiniert werden oder ein anderes Merkmal ersetzen, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Entsprechend können verschiedene Kombinationen der in Bezug auf beliebige der obigen Ausführungsformen oder Varianten beschriebenen Merkmale vorgesehen sein, welche innerhalb des Umfangs der anhängenden Patentansprüche bleiben. Außerdem können viele kleinere Modifikationen vorgenommen werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die Lehren der vorliegenden Erfindung anzupassen, ohne von ihrem Umfang abzuweichen. Deswegen soll die vorliegende Erfindung nicht auf die offenbarten speziellen Ausführungsformen beschränkt sein, sondern die vorliegende Erfindung soll alle Ausführungsformen umfassen, die unter den Umfang der anhängenden Patentansprüche fallen. Außerdem können viele andere Varianten als die oben ausdrücklich angesprochenen vorgesehen sein. Beispielsweise könnten für die Mikrofluidik-Chips verschiedene Materialien verwendet werden, wie z.B. Polydimethylsiloxan (PDSM), Glas oder Metall-Wafer. Als ein weiteres Beispiel können andere Arten von Ventilen vorgesehen sein, z.B. passive oder aktive Mikroventile, wie sie auf dem Fachgebiet bekannt sind.
