DE19821627A1

DE19821627A1 - Module with microchannel system useful in miniaturized processing or analysis systems e.g. PCR or immunoassays

Info

Publication number: DE19821627A1
Application number: DE1998121627
Authority: DE
Inventors: Frank Krause; Heinz Linder; Franz Schmitt; Georg Wiesmeier; Hansjoerg Duerr; Karsten Dierksen; Simone Greven; Klaus Heidenreich; Peter Jaehn; Juergen Klein
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1998-05-14
Filing date: 1998-05-14
Publication date: 1999-11-18
Also published as: EP1079928A2; JP2002515351A; AU4035899A; WO1999059810A2; WO1999059810A3

Abstract

Module with a microchannel system comprises one or more stacked polymer films with microchannel-forming cutouts sandwiched between top and bottom covers, at least one of which has at least two access ports to at least one microchannel. An Independent claim is also included for production of the module by microstructuring one or more films and bonding one or a stack of the microstructured films to the covers so that the channels are sealed in.

Description

Die Erfindung betrifft ein Modul aus Polymermaterialien, das beliebige Mikrokanal systeme enthält und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Moduls.The invention relates to a module made of polymer materials, any microchannel contains systems and a method for producing such a module.

Ein Mikrokanal ist ein Kanal, der in einer oder in zwei Raumrichtungen (Breite und Tiefe) Abmessungen kleiner als 1 mm hat (Mikrometerbereich). Er hat in einer anderen Raumrichtung (Länge) eine Abmessung, die einem Vielfachen der Abmes sung in die Raumrichtung mit der kleinsten Abmessung, entspricht. Mehrere mitein ander verbundene Mikrokanäle bilden ein Mikrokanalsystem. Ein Modul ist ein Träger, der ein oder mehrere durch Zugänge befüllbare und entleerbare Mikrokanal systeme und gegebenenfalls weitere Elemente wie z. B. Membranen enthält.A microchannel is a channel that is in one or two spatial directions (width and Depth) has dimensions smaller than 1 mm (micrometer range). He has one other spatial direction (length) a dimension that is a multiple of the dimensions solution in the spatial direction with the smallest dimension. Several together other connected microchannels form a microchannel system. A module is a Carrier containing one or more microchannels that can be filled and emptied through access systems and possibly other elements such. B. contains membranes.

Module mit Mikrokanalsystemen kommen in einer Vielzahl von technischen Bereichen zum Einsatz. Sie werden als Mischer, Wärmeübertrager, Reaktoren, Mikrosensoren in Prozeßapparaturen und als miniaturisierte Analysensysteme, z. B. in der molekularen Diagnostik eingesetzt. Die Miniaturisierung von Baugruppen ist vorteilhaft, da durch die geringen Abstände in den Mikrokanalsystemen Prozesse sehr schnell ablaufen können. Außerdem fördert das große Verhältnis von Oberfläche zu Volumen einen effizienten Wärmeaustausch und ermöglicht eine gezielte, schnelle Temperatur steuerung. Auf Grund ihrer geringen Größe können eine Vielzahl von Modulen mit Mikrokanalsystemen parallel eingesetzt werden und insgesamt zu einem hohen Durch satz führen. In Mikrokanälen kann der Stofftransport durch die Kanäle mittels elektrischer Spannungen, die an die Kanäle angelegt werden, gezielt gesteuert werden. Dabei wird eine Überschußladung der Stoffe in den Kanälen und/oder der endoosmotische Effekt, der durch die Wanderung von Oberflächenladungen verur sacht wird, ausgenutzt. Bei Anwendungen im diagnostische Bereich ist der sparsame Reagenzien- und Eluentenverbrauch in Mikrokanalsystemen von Vorteil.Modules with micro-channel systems come in a variety of technical areas for use. They are used as mixers, heat exchangers, reactors, microsensors Process equipment and as miniaturized analysis systems, e.g. B. in the molecular Diagnostics used. The miniaturization of assemblies is advantageous because of the short distances in the microchannel systems processes run very quickly can. In addition, the large ratio of surface to volume encourages you efficient heat exchange and enables a targeted, fast temperature control. Due to their small size, a large number of modules can be used Microchannel systems are used in parallel and overall to a high throughput lead sentence. In microchannels, the mass transport through the channels can be done by electrical voltages applied to the channels can be controlled in a targeted manner. An excess charge of the substances in the channels and / or the endoosmotic effect caused by the migration of surface charges is gently exploited. This is economical for applications in the diagnostic area Reagent and eluent consumption is an advantage in microchannel systems.

Für die Strukturierung von Polymermaterialien mit Mikrokanälen wurden bisher ver schiedene Verfahren vorgeschlagen, die alle darauf beruhen, daß in ein Substrat eine Mikrostruktur, die die Unterseite und die Kanalwände bildet, als Tiefenprofil eingear beitet wird. Der Kanal wird dann an der offenen Seite durch eine planare Deckschicht, die die Zugänge zum darunter liegenden Mikrokanalsystem enthält, abgeschlossen.For structuring polymer materials with microchannels, ver proposed different methods, all based on the fact that in a substrate Microstructure, which forms the underside and the channel walls, integrated as a depth profile is being processed. The channel is then covered on the open side by a planar cover layer, which contains the access to the underlying microchannel system.

Beim Silikongießverfahren wird die gewünschte Kanalstruktur aus Silikon durch das Ausgießen einer entsprechenden Form hergestellt (C.S. Effenhauser et al., 2nd International Symposium on Minlaturized Total Analysis Systems mTAS '96, Analytical Methods and Instrumentation, Basel 1996). Nachteilig ist dabei die auf wendige Herstellung der Gießschablone und die komplizierte Einstellung des Drucks der planaren Deckschicht auf die in das Silikon eingearbeiteten nicht abgeschlossenen Kanäle. Der Druck muß so eingestellt sein, daß die Kanäle im Silikon einerseits abge dichtet und andererseits nicht zugedrückt werden.In the silicone casting process, the desired channel structure made of silicone is created by the Pouring out a corresponding mold (C.S. Effenhauser et al., 2nd International Symposium on Minlaturized Total Analysis Systems mTAS '96, Analytical Methods and Instrumentation, Basel 1996). The disadvantage is that agile production of the casting template and the complicated adjustment of the pressure the planar cover layer on the unfinished ones incorporated into the silicone Channels. The pressure must be set so that the channels in the silicone abge on the one hand seals and not be squeezed on the other hand.

Bei einem anderen Herstellverfahren mittels Mikrospritzgußtechnik wird eine Urmatrix in einem Silizium-Substrat hergestellt. Von diesem werden Nickel-Formen abgeformt, in denen mit Spritzguß die Acryl-Substrate mit den Mikrokanälen herge stellt werden (R.M. McCormick et al., Anal. Chem. 1997, 69, 2626-2630). Der Nach teil dieses Verfahrens ist, daß erst zwei Generationen von Matrizen hergestellt werden müssen, bevor die eigentliche Struktur hergestellt werden kann. Das ist sehr auf wendig und schränkt die Flexibilität bei der Gestaltung der Strukturen stark ein (Ch. Ziegmann, "Spritzgießen mikrostrukturierter Bauteile", 19. IKV-Kolloquium Aachen 1998).In another manufacturing process using micro injection molding technology, one Original matrix made in a silicon substrate. From this are nickel forms molded, in which the acrylic substrates with the microchannels are produced using injection molding (R.M. McCormick et al., Anal. Chem. 1997, 69, 2626-2630). The night Part of this process is that only two generations of matrices are manufactured before the actual structure can be made. That is very up agile and severely limits the flexibility when designing the structures (Ch. Ziegmann, "Injection molding of microstructured components", 19th IKV colloquium Aachen 1998).

Weiterhin wurde die Herstellung von Mikrostrukturen durch Laserablation von poly merischen oder keramischen Substraten z. B. mit einem Excimer-Laser vorgeschlagen (US-Patent 5,500,071). Für große Stückzahlen ist die Laserablation jedoch wegen des großen Zeitaufwandes nicht geeignet.Furthermore, the production of microstructures by laser ablation of poly meric or ceramic substrates such. B. proposed with an excimer laser (U.S. Patent 5,500,071). For large quantities, however, laser ablation is due to the large expenditure of time not suitable.

Aus der Halbleitertechnik sind zur Herstellung von Mikrostrukturen die Photolito graphie und naßchemische Ätzverfahren bekannt. Sie werden aber ausschließlich auf Silizium, Quarz, Glas (S.C. Terry et al., IEEE Trans. Electron. Devices, ED-26, 1979, 1880; A. Manz et al., J. Chromatogr. 593, 1992, 253-258) und andere Halbleiter materialien angewendet. Diese Materialien sind auf Grund der großen Adsorption an ihrer Oberfläche zumindestens für biologische Anwendungen schlecht geeignet. Außerdem ist diese Art der Herstellung von Mikrostrukturen für eine Massenpro duktion von einmal verwendbaren Modulen zu aufwendig.Semiconductor technology is used for the production of microstructures, the photolito known graphics and wet chemical etching. But you will only be on Silicon, quartz, glass (S.C. Terry et al., IEEE Trans. Electron. Devices, ED-26, 1979, 1880; A. Manz et al., J. Chromatogr. 593, 1992, 253-258) and other semiconductors materials applied. These materials are due to the large adsorption their surface is at least unsuitable for biological applications. In addition, this type of manufacture of microstructures for a mass pro production of single-use modules is too complex.

Aus metallischen Werkstoffen werden mikrostrukturierte Stapelstrukturen vorzugs weise als hocheffiziente Wärmeübertrager hergestellt. Die Strukturen werden dabei entweder spanabhebend oder mit chemischen Ätzverfahren (US-Patent 4,516,632) ausgebildet. Die einzelnen Mikrokanäle werden nicht als individuelle Prozeßeinheiten, sondern als integrale Bestandteile eines makroskopischen Bausteins eingesetzt. Die Mikrokanäle dienen in erster Linie einer Oberflächenvergrößerung (B. Sundén et al. Adv. Eng. Heat Transf., Proc. Balt. Heat Transf. Conf, 1995).Microstructured stack structures are preferred from metallic materials wise manufactured as a highly efficient heat exchanger. The structures will be there either cutting or chemical etching (US Patent 4,516,632) educated. The individual microchannels are not considered to be individual process units, but used as an integral part of a macroscopic building block. The Microchannels primarily serve to enlarge the surface (B. Sundén et al. Adv. Eng. Heat Transf., Proc. Balt. Heat Transf. Conf, 1995).

Die Anforderungen an ein Modul mit Mikrokanälen sind vielfältig und variieren je nach Einsatzbereich. Allgemein gilt, daß die Kanäle in den Modulen 10-100 µm tief und 10 µm bis 5 mm breit sein sollen. Sie können beliebig lang sein.The requirements for a module with microchannels are varied and vary by area of application. The general rule is that the channels in the modules are 10-100 µm deep and should be 10 µm to 5 mm wide. They can be of any length.

Die Kanäle müssen weiterhin über Zugänge mit Proben-, Reagenzien- und Puffer reservoires verbunden sein, um sie befüllen und entleeren zu können.The channels must still have access with sample, reagent and buffer reservoirs in order to fill and empty them.

Die Kanalstrukturen müssen abgedichtet werden können und sie müssen eine effiziente Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr gewährleisten. Eine effiziente Wärmeab fuhr ist insbesondere nötig, um die Joulsche Wärme abzuführen, die entsteht wenn elektrische Spannungen an die Mikrokanäle angelegt werden und elektrische Ströme fließen.The channel structures must be able to be sealed and they must be one Ensure efficient heat supply and heat dissipation. An efficient heat drove is particularly necessary to dissipate the Joule heat that arises when electrical voltages are applied to the microchannels and electrical currents flow.

Für viele Anwendungen ist es wünschenswert, Trennmembranen in das Kanalsystem des Moduls einzubringen, um so beispielsweise eine Größenselektion von Molekülen vorzunehmen. For many applications, it is desirable to have separation membranes in the duct system of the module, for example in order to select molecules to make.

Für manche Anwendungen wie z. B. die Kapillar-Elektrophorese müssen die Kanal strukturen elektrisch isoliert sein, so daß ein elektrolytischer Stromtransport in den Kanälen stattfinden kann.For some applications such as B. Capillary electrophoresis must be the channel structures to be electrically isolated, so that an electrolytic current transport in the Channels can take place.

Für viele Anwendungen, speziell im analytisch-diagnostischen Bereich, müssen die Mikrokanäle einer optischen Detektion zugänglich sein.For many applications, especially in the analytical-diagnostic area, the Microchannels be accessible for optical detection.

Für die Anwendung als Prozeßapparatur, als Mikrosensor oder Mikroanalysensystem im medizinisch/biologischen Umfeld ist eine gute Biokompatibilität erwünscht. Bio kompatibilität heißt, daß sich beispielsweise wegen entsprechender Oberflächeneigen schaften keine Proteine in den Kanälen anlagern.For use as process equipment, as a microsensor or microanalysis system Good biocompatibility is desirable in the medical / biological environment. Organic Compatibility means that, for example, due to appropriate surface properties do not accumulate proteins in the channels.

Im Hinblick auf eine breite Nutzung sollen die mikrostrukturierten Module in hoher Stückzahl mit niedrigen Kosten herstellbar sein und einfach entsorgt werden können.With a view to widespread use, the microstructured modules should be high Quantity can be produced at low cost and can be easily disposed of.

Das erfindungsgemäße Modul mit Mikrokanälen besteht aus einer Polymer-Folie, deren Stärke der gewünschten Kanaltiefe entspricht mit Aussparungen in Form der gewünschten Mikrokanalstruktur. Eine obere und eine untere Abdeckschicht dichten diese mikrostrukturierte Folie auf beiden Seiten ab. Die Abdeckschichten sind auf der Seite, die der strukturierten Folie zugewandt ist, planar und bilden die Oberseite und die Unterseite der Kanäle. Mindestens eine der beiden Abdeckschichten verfügt über mindestens zwei Zugänge zu mindestens einem Mikrokanal in der mikrostrukturierten Folie.The module with microchannels according to the invention consists of a polymer film, the thickness of the desired channel depth corresponds with recesses in the form of desired microchannel structure. Seal an upper and a lower cover layer this micro-structured film on both sides. The cover layers are on the Side, which faces the structured film, planar and form the top and the bottom of the channels. At least one of the two cover layers has at least two accesses to at least one microchannel in the microstructured Foil.

Neben diesem einfachsten Aufbau mit einer mikrostrukturierten Folie zwischen den beiden Abdeckschichten, können die Module auch mehrere übereinander gestapelte mikrostrukturierte Folien zwischen den beiden Abdeckschichten enthalten. Die Mikro kanäle liegen dann in unterschiedlichen Ebenen und haben senkrecht zur Folienebene gesehen Überlappungsbereiche. Diese erlauben den Übergang von einer Ebene in die nächste. Auf diese Weise lassen sich beliebig verknüpfte, dreidimensionale Kanal strukturen aufbauen. In addition to this simplest structure with a micro-structured film between the two cover layers, the modules can also be stacked one above the other contain micro-structured foils between the two cover layers. The micro channels then lie in different planes and are perpendicular to the film plane seen overlap areas. These allow the transition from one level to the other next. In this way, arbitrarily linked, three-dimensional channels can be created build structures.

Als Polymermaterial für die Folien sind kristalline oder teilkristalline Kunststoffe geeignet. Transparente Kunststoffe wie Polycarbonat oder Polymethylmethacrylat sind besonders geeignet. Es können auch Folien eingesetzt werden, die in bestimmten optischen oder infraroten Wellenlängenbereichen eine starke Absorption aufweisen. Ein Modul kann Folien aus unterschiedlichen Materialien enthalten.Crystalline or semi-crystalline plastics are used as polymer material for the films suitable. Transparent plastics such as polycarbonate or polymethyl methacrylate are particularly suitable. It is also possible to use foils that are in certain optical or infrared wavelength ranges have a strong absorption. A module can contain foils made of different materials.

Jede Folie kann aus unterschiedlichen Schichten aufgebaut sein. Die einzelnen Schichten können verschiedene Funktionen, wie Klebefunktion oder Abdichtungs funktionen durch elastische Verformbarkeit, erfüllen. Einzelne Schichten können auch verschiedene Absorptionsspektren aufweisen. In einer Folie kann z. B. ein nicht absorbierender Kern von absorbierenden Deckschichten eingerahmt sein.Each film can be made up of different layers. The single ones Layers can perform various functions, such as gluing or sealing functions through elastic deformability. Individual layers can also have different absorption spectra. In a film z. B. a not absorbent core be framed by absorbent cover layers.

Die Oberflächeneigenschaft der Kanäle bezüglich Adsorption oder Oberflächen potential kann durch eine Beschichtung der die Kanalwände bildenden Abdeck schichten oder der Folien gezielt auf eine Anwendung angepaßt werden. Mögliche Beschichtungen sind Polyacrylamid, Polyvinylalkohol, oligomere Alkylamine, nicht ionische Detergenzien wie Polyoxyethylenether und polymere Zucker wie Hydroxy propylmethylcellulose oder Methylcellulose.The surface properties of the channels with regard to adsorption or surfaces potential can be achieved by coating the cover forming the channel walls layers or the films can be specifically adapted to an application. Possible Coatings are not polyacrylamide, polyvinyl alcohol, oligomeric alkylamines ionic detergents such as polyoxyethylene ether and polymeric sugars such as hydroxy propylmethyl cellulose or methyl cellulose.

Die Tiefe der Kanäle entspricht der Folienstärke oder deren Vielfaches, wenn mehrere gleich strukturierte Folien übereinander gestapelt werden. Tiefere Kanäle ermöglichen einen höheren Durchsatz. Die mikrostrukturierten Folien haben eine Stärke von 10 bis 1000 µm, vorzugsweise 10 bis 100 µm. Besonders geeignet sind Folienstärken von 25 bis 75 µm.The depth of the channels corresponds to the film thickness or its multiple, if several equally structured foils are stacked on top of each other. Enable deeper channels higher throughput. The microstructured foils have a thickness of 10 to 1000 microns, preferably 10 to 100 microns. Film thicknesses of 25 are particularly suitable up to 75 µm.

Die Länge der Kanäle in der mikrostrukturierten Folie beträgt bevorzugt 1 mm bis 100 mm, besonders bevorzugt sind 5 bis 50 mm. Die Kanalbreite kann maximal der Breite der Folie abzüglich eines Abdichtrandes entsprechen. Sie beträgt vorzugsweise 1 µm bis 5 mm und kann über die Kanallänge konstant sein oder variieren.The length of the channels in the microstructured film is preferably 1 mm to 100 mm, 5 to 50 mm are particularly preferred. The channel width can be a maximum of Correspond to the width of the film minus a sealing edge. It is preferably 1 µm to 5 mm and can be constant or vary over the channel length.

Die Kanäle können jede beliebige Orientierung zueinander und zur Folienbegrenzung annehmen. Neben Kanälen mit rechteckiger Grundform können auch Kanäle mit ge krümmten Seiten realisiert werden. Durch Stapelung von entsprechend strukturierten Folien können auch senkrechte Kanäle, bei denen die Aussparungen übereinander liegen, oder diagonale Kanäle, bei denen die Aussparungen versetzt übereinander liegen, hergestellt werden.The channels can have any orientation to each other and to limit the film accept. In addition to channels with a rectangular basic shape, channels with ge curved sides can be realized. By stacking appropriately structured Sheets can also be vertical channels where the cutouts are on top of each other lie, or diagonal channels, in which the recesses are offset one above the other lie, are produced.

Die obere und die untere Abdeckschicht dienen zur Abdichtung der Kanalstruktur der dazwischen liegenden Folie. Die Abdeckschichten können durch Folien, deren Stärke bei 50 bis 500 µm liegt, oder durch Platten mit einer Stärke größer als 500 µm ge bildet werden. Mindestens eine der Abdeckschichten verfügt über mindestens zwei Zugänge zu mindestens einem Mikrokanal. Entsprechende Öffnungen sind in einer oder beiden Abdeckschichten vorhanden. Die Abdeckschichten können transparent sein.The upper and lower cover layers serve to seal the channel structure of the film in between. The cover layers can be covered by foils, their thickness is 50 to 500 microns, or by plates with a thickness greater than 500 microns ge be formed. At least one of the cover layers has at least two Access to at least one microchannel. Corresponding openings are in one or both cover layers. The cover layers can be transparent be.

Proben-, Reagenzien- und/oder Puffergefäße sind auf der Außenseite mindestens einer Abdeckschicht über den Zugängen zu den darunter liegenden Mikrokanälen ange bracht. Über die Proben-, Reagenzien- und Puffergefäße werden die Kanäle befüllt. Über die Proben-, Reagenzien- und Puffergefäße können auch Druckdifferenzen er zeugt oder elektrische Potentiale angelegt werden, um einen Stofftransport in den Kanälen zu bewirken. Die Proben-, Reagenzien- und Puffergefäße können bei Ver wendung von planaren Platten auch in die äußere Oberfläche der Platten als Makro struktur eingearbeitet sein.Sample, reagent and / or buffer vessels are at least one on the outside Cover layer above the entrances to the underlying microchannels brings. The channels are filled via the sample, reagent and buffer vessels. Pressure differences can also occur via the sample, reagent and buffer vessels testifies or electrical potentials are applied to a mass transfer in the Channels. The sample, reagent and buffer vessels can be used with Ver Use of planar plates also in the outer surface of the plates as a macro be incorporated into the structure.

In das Modul können Membranen eingebaut werden. Für die Trennung von Makro molekülen, Teilchen, Bakterien, Zellen oder Viren ist häufig eine Membran geeignet, die nach dem Größenausschlußprinzip arbeitet (Ultrafiltrationsmembran). Die Spann weite von Membranen reicht von einem Molekulargewicht von 3000 Dalton für kleine Proteine oder Nukleotide, über Größenausschlußbereiche im unteren nm-Bereich für große Nukleinsäuren und Viren, bis hin zu 0,45 µm für Zellen. Bei den Membranen handelt es sich um mikrostrukturierte Polymere, vorzugsweise um Polyethersulfon (PES), Polyester, vliesgestützten Acrylpolymer, Polytetrafluorethylen (PTFE), Poly sulfon, Polypropylen (PP), Glasfaser, Nylon oder Polycarbonat. Zusätzlich können Ionenaustauschmembranen und Adsorptionsphasen eingesetzt werden. Die Wahl der Membran richtet sich nach der Art des gewünschten Moleküls und ist mikrostruktur unabhängig.Membranes can be installed in the module. For the separation of macro a membrane is often suitable for molecules, particles, bacteria, cells or viruses, which works according to the size exclusion principle (ultrafiltration membrane). The instep Wide range of membranes ranges from a molecular weight of 3000 daltons to small ones Proteins or nucleotides, over size exclusion ranges in the lower nm range for large nucleic acids and viruses, down to 0.45 µm for cells. With the membranes it is microstructured polymers, preferably polyethersulfone (PES), polyester, fleece-based acrylic polymer, polytetrafluoroethylene (PTFE), poly sulfone, polypropylene (PP), glass fiber, nylon or polycarbonate. In addition, you can Ion exchange membranes and adsorption phases are used. The choice of Membrane depends on the type of molecule desired and is microstructured independently.

Die Membranen können zwischen einer Abdeckschicht und einer mikrostrukturierten Folie und/oder zwischen zwei Folien eingesetzt sein. Sie können auch auf der Außen seite der Abdeckschichten zwischen Abdeckschicht und Proben-, Reagenzien- oder Puffergefäß angebracht sein.The membranes can be between a cover layer and a microstructured Foil and / or inserted between two foils. You can also on the outside side of the cover layers between cover layer and sample, reagent or Buffer vessel must be attached.

Die Membranen können als zusätzliche Schicht in das Modul eingebracht sein. Ist die Membran ganzflächig, so tritt ihre Membraneigenschaft nur an den durchströmten Be reichen in Funktion. Sie kann aber auch nur an den Überlappungsbereichen der Kanäle über Membraneigenschalten verfügen.The membranes can be introduced into the module as an additional layer. Is the Membrane over the entire surface, so its membrane property only occurs on the flowed Be range in function. But it can also only on the overlap areas of the channels have membrane switches.

Membranen können auch als Stücke, die nur den durchströmten Kanalbereich an den Überlappungsbereichen der Kanalstrukturen zwischen zwei Folien abdecken oder im Übergangsbereich zwischen den Zugängen der Abdeckschicht und den darunter liegenden Kanälen, eingesetzt sein. Eine weitere Möglichkeit ist, daß sich die Membranen direkt in den Zugängen zu den Mikrokanälen in der Abdeckschicht be finden.Membranes can also be used as pieces that only flow through the channel area Cover overlapping areas of the channel structures between two foils or in Transitional area between the entrances of the cover layer and those below lying channels. Another possibility is that the Membranes directly in the entrances to the microchannels in the cover layer Find.

Die Wärmezufuhr oder -abfuhr am Modul, kann über die Abdeckschichten durch Kontakt-, Luft- oder Flüssigkühlung der Abdeckschichten erfolgen. Ein besonders intensiver Wärmeaustausch kann über eine Folie erreicht werden, die über viele parallele Mikrokanäle verfügt, durch die ein Flüssigkeits- oder Gasstrom zum Wärme austausch geleitet werden kann.The heat supply or removal on the module can be done through the cover layers Contact, air or liquid cooling of the cover layers take place. A special one intensive heat exchange can be achieved via a film, which over many has parallel microchannels through which a liquid or gas flow to heat exchange can be conducted.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Moduls aus Polymermaterialien mit einem Mikro kanalsystem umfaßt das Strukturieren von einer oder mehreren Folien mit den Mikro kanälen und das Verbinden der einen Folie mit den beiden Abdeckschichten oder das Verbinden von mehreren übereinandergestapelten Folien untereinander und mit den beiden Abdeckschichten, so daß die Mikrokanäle abgedichtet sind. A method of making a module from polymeric materials with a micro Channel system involves structuring one or more films with the micro channels and connecting the one film with the two cover layers or that Joining several stacked foils with each other and with the two cover layers so that the microchannels are sealed.

Vor der Bearbeitung oder vor dem Zusammenfügen des Moduls können die Folien beschichtet werden. Es können auch Membranen in das Modul eingefügt werden.Before editing or assembling the module, the slides can be coated. Membranes can also be inserted into the module.

Die Mikrostrukturierung der Folien kann durch Ätzverfahren, Laserablation oder Stanzen erfolgen.The microstructuring of the films can be carried out by etching, laser ablation or Punching.

Vorteilhaft ist jedoch ein erfindungsgemäßes Schneideverfahren.However, a cutting method according to the invention is advantageous.

Die zu strukturierende Folie wird auf einer formstabilen und elastischen Unterlage fixiert.The film to be structured is placed on a dimensionally stable and elastic base fixed.

Zum Schneiden können das Schnittwerkzeug und die Aufnahmeeinheit der zu schneidenden Folie in allen drei Raumrichtungen gegeneinander bewegt werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführung des Schneideverfahrens wird die Folie auf einer drehbaren Walze in einem vorgespannten Zustand befestigt.For cutting, the cutting tool and the holding unit can also be used cutting foil can be moved against each other in all three spatial directions. In In a particularly advantageous embodiment of the cutting process, the film is opened attached to a rotatable roller in a pretensioned state.

Elastische Folien werden je nach Herstellungsverfahren und Spannungsstruktur des Materials parallel zur Schnittlinie oder quer zur Schnittlinie vorgespannt, um den Schneidevorgang zu optimieren. Der Grad der Vorspannung richtet sich nach dem Elastizitätsmodul der zu schneidenden Folie.Elastic films are made depending on the manufacturing process and the tension structure of the Material biased parallel to the cutting line or across the cutting line to the To optimize the cutting process. The degree of preload depends on the Modulus of elasticity of the film to be cut.

Das Schnittwerkzeug kann fest oder als drehendes Rundmesser angeordnet sein. Das Rundmesser übt eine schneidende Walzbewegung aus, wobei die Folie unter dem Messer fixiert und nicht verformt wird. Dies ist bei Kunststofffolien mit niedrigem Elastizitätsmodul vorteilhaft. Ein feststehendes Schnittwerkzeug ist vorteilhaft, um exakte Konturen aus einem Material zu schneiden.The cutting tool can be fixed or arranged as a rotating circular knife. The Circular knife exerts a cutting rolling movement, the film under the Knife is fixed and not deformed. This is with low plastic films Elastic modulus advantageous. A fixed cutting tool is beneficial to to cut exact contours from one material.

Ein Kanal kann vorteilhaft mit zwei parallel angeordneten Messern entlang seiner Kanten geschnitten werden, wobei der Abstand der Messer der Kanalbreite entspricht. Dieses Vorgehen liefert exakte Schnittflächen und sollte insbesondere gewählt werden, wenn die erforderlichen Kanalbreiten unter 500 µm liegen oder wenn nicht im 90°-Winkel zur Folienoberfläche geschnitten wird, so daß der Kanalquerschnitt von der Rechteckform abweicht. Durch den Parallelschnitt wird die zu schneidende Folie stabilisiert und eine Verschiebung der Folie verhindert.A channel can advantageously have two knives arranged in parallel along its length Edges are cut, the distance between the knives corresponding to the channel width. This procedure provides exact cut surfaces and should be chosen in particular if the required channel widths are less than 500 µm or if not in the 90 ° angle to the film surface is cut so that the channel cross section of deviates from the rectangular shape. The film to be cut is made by the parallel cut stabilizes and prevents the film from shifting.

Es können durch eine Vielzahl von parallel stehenden Messer viele parallele Kanäle und auch die parallelen Außenbegrenzungen der Folien gleichzeitig geschnitten werden. Durch die vielfachen Parallelschnitte wird eine schnelle Strukturierung von Folien mit einer Vielzahl von Kanälen erreicht.A large number of parallel knives can create many parallel channels and also cut the parallel outer borders of the foils at the same time become. Due to the multiple parallel cuts, a quick structuring of Sheets achieved with a variety of channels.

Sind die Abdeckschichten feste Platten, so können sie durch Spritzguß oder mit anderen gängigen Herstellverfahren für Strukturen aus Polymermaterialien hergestellt werden. Dabei können Proben- und Puffergefäße in einem Stück mit der Abdeckplatte hergestellt werden.If the cover layers are solid plates, they can be made by injection molding or with other common manufacturing processes for structures made from polymer materials become. Sample and buffer vessels can be made in one piece with the cover plate getting produced.

Die Verbindung der mikrostrukturierten Folien untereinander und mit den Abdeck schichten zu einem Modul kann durch Druck, Kleben oder Schweißen erfolgen.The connection of the microstructured foils with each other and with the cover Layers to form a module can be done by printing, gluing or welding.

Eine dichte Verbindung durch Druck kann nur mit festen Platten als Abdeckschichten erreicht werden. Der Druck wird von außen auf die beiden Abdeckplatten ausgeübt. Sie werden gegeneinander und auf die dazwischenliegenden Folien gedrückt. Dadurch werden die Kanäle der mikrostrukturierten Folien abgedichtet.A tight connection by pressure can only be achieved with solid panels as cover layers can be achieved. The pressure is exerted on the two cover plates from the outside. They are pressed against each other and on the foils in between. Thereby the channels of the microstructured foils are sealed.

Abdeckplatten zeigen auf den Oberflächen mikroskopische Unebenheiten, die in die dazwischenliegenden Folien geprägt werden und zu Leckströmen führen können. Durch die Verwendung von besonders elastischen Folien wie Folien aus thermo plastischem Polyurethan (TPU) oder mit einer klebstoffartigen Ausgleichsmasse be schichteten Folien können die Undichtigkeiten verhindert werden. Die elastische Folie und die Ausgleichsmasse passen sich den Unebenheiten der Oberfläche an und ver schließen sie.Cover plates show microscopic bumps on the surfaces, which in the Intermediate foils are embossed and can lead to leakage currents. By using particularly elastic foils such as foils made of thermo plastic polyurethane (TPU) or with an adhesive-like leveling compound leaks can be prevented. The elastic film and the leveling compound adapt to the unevenness of the surface and ver Close.

Die Stärke des Drucks auf die dazwischenliegenden Folien richtet sich nach den elastischen Eigenschaften des verwendeten Folienmaterials. Günstig ist ein Druck der eine Vorspannung der Folie von 5-50%, besonders vorteilhaft von 5-25% der Foliendicke bewirkt. Die Vorspannung wird über die Längenveränderung der Folie gegenüber dem ungespannten Zustand gemessen.The strength of the pressure on the films in between depends on the elastic properties of the film material used. A pressure is favorable a preload of the film of 5-50%, particularly advantageously of 5-25% of the Film thickness causes. The preload is determined by the change in length of the film measured against the untensioned state.

Der Druck auf die Abdeckplatten des Moduls wird durch lösbare oder unlösbare Ver bindungen aufrechterhalten. Lösbare Verbindungen sind Schrauben, Clips oder Spannelemente. Unlösbare Verbindungen werden durch Nieten oder durch Ver schweißen der beiden Abdeckplatten an ihren äußeren Rändern hergestellt. Beim Ver schweißen werden die eine oder mehrere Folien zwischen den Abdeckplatten passiv fixiert.The pressure on the cover plates of the module is releasable or non-releasable maintain ties. Detachable connections are screws, clips or Clamping elements. Inseparable connections are made by riveting or by Ver welding of the two cover plates on their outer edges. When ver the one or more foils are passively welded between the cover plates fixed.

Die Folien und Abdeckschichten können durch Kleben dicht miteinander verbunden werden. Der Klebstoff kann selbsthärtend, thermischhärtend oder photohärtend sein.The foils and cover layers can be tightly connected to one another by gluing become. The adhesive can be self-curing, thermosetting or photo-curing.

Besonders vorteilhaft sind unlösbare Verbindungen, die durch Verschweißen der Folien und Abdeckschichten direkt an den Rändern der Kanäle entstehen. Das Problem der Undichtigkeiten durch Unebenheiten in den Abdeckplatten tritt nicht auf. Die Abdeckschichten müssen nicht formstabil sein. Sie können auch Folien sein.Unreleasable connections that are produced by welding the Films and cover layers are created directly on the edges of the channels. The There is no problem of leaks due to unevenness in the cover plates. The cover layers do not have to be dimensionally stable. They can also be slides.

Es gibt verschiedene Methoden für die Verschweißung der Folien untereinander und mit der Abdeckschicht.There are various methods for welding the foils to one another and with the cover layer.

Beim Heißprägen wird durch einseitige Erhitzung mit direktem Kontakt der ge wünschte Bereich aufgeschmolzen.With hot stamping, the ge desired area melted.

Beim Heizelementschweißen erfolgt im Gegensatz zum Heißprägen der Wärme kontakt beidseitig.In contrast to hot stamping, heating element welding involves heat contact on both sides.

Das Infrarotstrahlungsschweißen kann einseitig oder von beiden Seiten erfolgen. Dazu muß mindestens eine der Folien über eine infrarotabsorbierende Schicht verfügen.Infrared radiation welding can be carried out on one side or on both sides. To at least one of the foils must have an infrared absorbing layer.

Beim Laserschweißen muß mindestens eine der Folien über eine Schicht verfügen, die das Laserlicht absorbiert. Beim Durchstrahlungsschweißen wird die gesamte ab sorbierende Schicht geschmolzen. Beim Stumpfschweißen wird nur die Oberfläche aufgeschmolzen. Das Stumpfschweißen kann einseitig oder beidseitig durchgeführt werden.In laser welding, at least one of the foils must have a layer that absorbs the laser light. In the case of radiation welding, the entire is cut off sorbent layer melted. In butt welding, only the surface melted. Butt welding can be carried out on one side or on both sides become.

Beim Ultraschallschweißen wird die erforderliche Energiedichte zum Verschweißen durch Ultraschallwellen erzeugt. Bei Gesamtdicken des Moduls bis zu 1 mm kann mit handelsüblichen Ultraschallschweißgeräten auf den Einsatz von Energierichtungs gebern verzichtet werden, da die Energiemenge pro Materialvolumen auch ohne eine Maßnahme zur Bündelung der Energie ausreicht.In ultrasonic welding, the energy density required for welding generated by ultrasonic waves. For total module thicknesses of up to 1 mm, you can use commercially available ultrasonic welding devices on the use of energy direction donors are dispensed with, since the amount of energy per material volume is also without one Measure to bundle the energy is sufficient.

Beim Hochfrequenzschweißen wird ein elektrisches Wechselfeld hoher Frequenz ein gestrahlt. Ein Teil der Energie des elektrischen Wechselfeldes wird im Kunststoff in Wärme umgewandelt. Eine Verschweißung des Moduls aus Polymermaterialien er folgt, wenn der dielektrische Verlustfaktor tan δ des Polymers größer 0,01 ist, also ein genügend hoher Anteil der Energie des Feldes abgezogen und in Wärme umgesetzt wird.With high frequency welding, an alternating electric field of high frequency is applied blasted. Part of the energy of the alternating electrical field is in the plastic Heat converted. A welding of the module from polymer materials follows if the dielectric loss factor tan δ of the polymer is greater than 0.01, i.e. a enough of the energy in the field is extracted and converted into heat becomes.

Als besonders vorteilhaft haben sich das Laser- und Infrarotschweißen herausgestellt. Durch Verwendung einer insgesamt oder in einzelnen Schichten absorbierenden, mikrostrukturierten Folie und von transparenten Abdeckschichten kann die Folie selektiv aufgeschmolzen und mit den Abdeckschichten dauerhaft verbunden werden. Mehrere übereinander gestapelte Folien werden auf diese Weise auch untereinander verbunden. Die Mikrokanalstrukturen sind nicht absorbierend, so daß die Energie großflächig eingestrahlt werden kann und die Kontour der Kanäle nicht exakt nachge fahren werden muß. Durch Einsatz von unterschiedlich absorbierenden Folien und sukszessivem Aufschmelzen können auch komplexe Schichtstrukturen und damit Kanalstrukturen aufgebaut werden.Laser and infrared welding have proven to be particularly advantageous. By using a whole or in individual layers absorbent, The film can be micro-structured film and transparent cover layers selectively melted and permanently connected to the cover layers. In this way, several foils stacked one on top of the other are also one below the other connected. The microchannel structures are not absorbent, so the energy can be irradiated over a large area and the contour of the channels is not exactly reproduced must be driven. By using different absorbing foils and Successive melting can also be done with complex layer structures and thus Channel structures are built.

Die Oberflächen der Folien, die zur Ausbildung einer Kanalstruktur beitragen und auch die kanalseitigen Flächen der Abdeckschicht können vor dem Schneiden oder vor dem Zusammenfügung beschichtet werden, um Oberflächeneigenschaften wie Biokompatibilität und Oberflächenpotential zu verändern. The surfaces of the foils that contribute to the formation of a channel structure and the channel-side surfaces of the cover layer can also be cut or coated prior to assembly to provide surface properties such as Change biocompatibility and surface potential.

Die Fixierung von Membranen erfolgt zusammen mit der Verbindung der Folien und Abdeckschichten durch Verpressen, Kleben oder Schweißen. Werden einzelne Membranstücke im Bereich eines Zugangs zu einem Kanal zwischen einer Abdeck schicht und einer Folie oder zwischen zwei Folien eingebracht, so muß die Membran in die Richtungen, in die der Kanal sich fortsetzt, mit der Abdeckschicht oder mit der Folien die nicht den Kanal trägt, verbunden werden.The membranes are fixed together with the connection of the foils and Covering layers by pressing, gluing or welding. Become single Membrane pieces in the area of an access to a channel between a cover layer and a film or inserted between two films, so the membrane in the directions in which the channel continues, with the covering layer or with the Foils that do not carry the channel are connected.

Die erfindungsgemäßen Module mit Mikrokanälen zeichnen sich einerseits durch den Aufbau aus einfachen Standardmaterialien (Polymer-Folien) aus. Die verwendeten Polymermaterialien wie Polycarbonat oder Polymethylmethacrylat sind für eine Viel zahl von Anwendungen einsetzbar, da sie die Eigenschaften Inertanz, Biokompatibili tät, elektrische Isolation und Transparenz auf sich vereinigen.The modules according to the invention with microchannels are characterized on the one hand by the Construction from simple standard materials (polymer films). The used Polymer materials such as polycarbonate or polymethyl methacrylate are for a lot Number of applications can be used because they have the properties of inertness, biocompatibility unity, electrical insulation and transparency.

Andererseits ist das Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäßen Module einfach und flexibel. Im Vergleich zu den bekannten Silikongießverfahren und Mikrospritz gußverfahren werden keine Urformen hergestellt, die dann jeweils nur eine Aus führungsform der Mikrokanalstruktur ergeben. Statt dessen können die Folien durch die bekannten Verfahren Ätzen, Laserablation, Stanzen oder besonders vorteilhaft mit dem erfindungsgemäßen Schneideverfahren einfach strukturiert werden. Beim Schneiden werden mit einfachen Schneidewerkzeugen, wie z. B. Rasiermessern be liebige Strukturen geschnitten.On the other hand, the manufacturing process for the modules according to the invention is simple and flexible. Compared to the well-known silicone casting process and micro spraying The casting process does not produce archetypes, which are then only one off management form of the microchannel structure. Instead, the slides can go through using the known methods of etching, laser ablation, punching or particularly advantageously the cutting method according to the invention can be easily structured. At the Cutting is done with simple cutting tools such as B. razors cut any structures.

Auch die Verbindung der Folien zum Modul, insbesondere durch die vorgeschlagenen Laser- und Infrarotschweißverfahren, ist schnell und einfach durchzuführen.The connection of the foils to the module, in particular through the proposed ones Laser and infrared welding processes can be carried out quickly and easily.

Somit sind die erfindungsgemäßen Module für die automatisierte Massenfertigung ge eignet und können auch wegen der preiswerten Materialien kostengünstig hergestellt werden. Polymermaterialien sind außerdem unproblematisch zu entsorgen. Damit lohnt es sich, sie als einmal verwendbare Module zum einmaligen Gebrauch herzu stellen. Einmal verwendbare Module haben insbesondere im medizinischen Bereich den Vorteil, daß es nicht zur Verschleppung von Keimen und Verunreinigungen kommen kann, und ihr Einsatz deshalb exaktere Analysen erlaubt und die Sicherheit von Personal und Patient erhöht.The modules according to the invention are therefore suitable for automated mass production is suitable and can be manufactured inexpensively because of the inexpensive materials become. Polymer materials are also easy to dispose of. In order to it is worthwhile to use them as single-use modules for single use put. Single-use modules have particularly in the medical field the advantage that it does not lead to the spread of germs and contaminants can come, and their use therefore allows more precise analyzes and security increased by staff and patient.

Der Wärmeaustausch ist wegen der geringen Wandstärken der Folien noch effizienter als mit herkömmlichen Systemen mit Mikrokanälen.The heat exchange is even more efficient due to the thin walls of the foils than with conventional systems with microchannels.

Ein Modul aus Polymermaterialien, das beliebige Mikrokanalsysteme enthält, ist ge eignet für viele Arten von Anwendungen für Mikrokanalstrukturen. Beispiele für An wendungen sind das chemische Labor, Polymerase Kettenreaktion (PCR), Immun diagnostik, Virusanalytik und DNA-Analytik auf dem Chip, Implantate, Dosierein richtungen und die Analytik mit miniaturisierten Totalanalysensystemen oder mit mikropräparativen Probenvorbereitungsmodulen für die DNA-Extraktion.A module made of polymer materials that contains any microchannel system is ge suitable for many types of applications for microchannel structures. Examples of An Applications are the chemical laboratory, polymerase chain reaction (PCR), immune diagnostics, virus analysis and DNA analysis on the chip, implants, dosing units directions and analytics with miniaturized total analysis systems or with micro-preparative sample preparation modules for DNA extraction.

Die Stoffe in den Mikrokanälen können mit optischen Methoden detektiert werden. Dabei können Absorptions- und Fluoreszenzverfahren genutzt werden. Wegen ihrer hohen Empfindlichkeit wird die laserinduzierte Fluoreszenzdetektion häufig einge setzt. The substances in the microchannels can be detected using optical methods. Absorption and fluorescence methods can be used. Because of her With high sensitivity, laser-induced fluorescence detection is often used puts.

Figures and examples

Es zeigenShow it

Fig. 1 Schichtaufbau eines Moduls mit einer mikrostrukturierten Folie. Fig. 1 layer structure of a module with a microstructured film.

Fig. 2 Schichtaufbau eines Moduls mit mehreren mikrostrukturierten Folien. Fig. 2 layer structure of a module with several microstructured films.

Fig. 3 Einführung von Trennmembranen in den Schichtaufbau. Fig. 3 Introduction of separation membranes in the layer structure.

Fig. 4 Schichtaufbau eines Moduls mit Gefäßen an einer Abdeckschicht. Fig. 4 layer structure of a module with vessels on a cover layer.

Fig. 5 Anordnung zum Schneiden der Folien. Fig. 5 arrangement for cutting the films.

Fig. 6 Modul, das durch Druck verbunden ist. Fig. 6 module that is connected by pressure.

Fig. 7 Manuelle Schneidapparatur zur Mikrostrukturierung von Polymer folien. Fig. 7 Manual cutting apparatus for microstructuring polymer films.

Fig. 8 Fotokopie des lasergeschweißten Schichtaufbaus eines Moduls. Fig. 8 photocopy of the laser-welded layer structure of a module.

Fig. 9 Elektrophoretischer Transport in einer Mikrokanalstruktur. Fig. 9 electrophoretic transport in a microchannel structure.

Fig. 1 zeigt eine Folie 2 mit einer Mikrokanalstruktur 1. Die Stärke der Folie 2 ent spricht der Kanaltiefe. Die Folie 2 wird von der unteren Abdeckschicht 3 und der oberen Abdeckschicht 4 eingeschlossen. Die Abdeckschichten bilden die obere und untere Kanalwand. Die Abdeckschicht 4 verfügt über die Zugänge 5 zu der Mikro kanalstruktur 1 in der Folie 2. Fig. 1 shows a film 2 having a micro channel structure 1. The thickness of the film 2 corresponds to the channel depth. The film 2 is enclosed by the lower cover layer 3 and the upper cover layer 4 . The cover layers form the upper and lower channel walls. The cover layer 4 has the accesses 5 to the micro channel structure 1 in the film 2 .

In Fig. 2 befinden sich zwei unterschiedlich mikrostrukturierte Folien 2a und 2b mit den Mikrostrukturen 1a und 1b zwischen den Abdeckschichten 3 und 4. Beim Stapeln der Folien entsteht ein Überlapp 11 der beiden Mikrokanäle 1a und 1b. Die Zugänge 5b' und 5b zum Mikrokanal 1b in der unteren Folie 2b befinden sich in der Folie 2a und der Abdeckschicht 4. Die Zugänge 5a zum Mikrokanal 1a in der oberen Folie 2a befinden sich in der Abdeckschicht 4.In Fig. 2 there are two different microstructured films 2 a and 2 b with the micro-structures 1 a and 1 b between the covering layers 3 and 4. When the foils are stacked, there is an overlap 11 of the two microchannels 1 a and 1 b. The accesses 5 b ′ and 5 b to the microchannel 1 b in the lower film 2 b are in the film 2 a and the cover layer 4 . The accesses 5 a to the microchannel 1 a in the upper film 2 a are in the cover layer 4 .

Verschiedene Möglichkeiten der Einführung der Membranen 6a, 6b und 6c in den Schichtaufbau sind in Fig. 3 dargestellt. Die Membran 6b befindet sich über dem Zu gang 5 oberhalb der Abdeckschicht 4. Die Membran 6a befindet sich zwischen der Folie 2 und der Abdeckschicht 4 im Bereich eines Zugangs 5 zu den Mikrokanälen 1 der Folie 2. Die Membran 6c bildet den Durchgang in der Abdeckschicht 4 zu den Mikrokanälen 1 in der Folie 2.Various possibilities for introducing the membranes 6 a, 6 b and 6 c into the layer structure are shown in FIG. 3. The membrane 6 b is located above the access 5 above the cover layer 4 . The membrane 6 a is located between the film 2 and the cover layer 4 in the area of an access 5 to the microchannels 1 of the film 2 . The membrane 6 c forms the passage in the cover layer 4 to the microchannels 1 in the film 2 .

Fig. 4 zeigt ein Modul bestehend aus einer Folie 2 mit Mikrokanälen 1 und den Ab deckschichten 3 und 4. Auf der Abdeckschicht 4 über den Zugängen 5 befinden sich Proben-, Reagenzien- und Puffergefäße 7. Fig. 4 shows a module consisting of a film 2 with microchannels 1 and the cover layers 3 and 4 . Sample, reagent and buffer vessels 7 are located on the cover layer 4 above the entrances 5 .

Fig. 5 zeigt eine Anordnung zum Schneiden der Folien. Auf dem Schneidtisch 10 be findet sich die zu strukturierende Folie 9 unter dem Schneidmesser 8. Die zu struktu rierenden Folie 9 wird durch eine Kraft 81 in eine Vorspannung gebracht. Fig. 5 shows an arrangement for cutting the films. On the cutting table 10 , the film 9 to be structured is found under the cutting knife 8 . The film 9 to be structured is brought into a pretension by a force 81 .

Fig. 6 zeigt ein Modul, bei dem die strukturierte Folie 13 zwischen zwei formsteifen Abdeckplatten 14 und 15 fixiert ist. Der Druck, durch den die Mikrokanäle in der Folie dicht durch die Abdeckplatten abgeschlossen werden, wird durch die Schraube 12 und/oder die Niete 16 ausgeübt. Zwischen die Abdeckplatten 14 und 15 könnten auch mehrere Folien übereinander gestapelt werden. Fig. 6 shows a module in which the structured film 13 dimensionally stable between two cover plates 14 is fixed, and 15. The pressure by which the microchannels in the film are sealed off by the cover plates is exerted by the screw 12 and / or the rivet 16 . A plurality of foils could also be stacked one above the other between the cover plates 14 and 15 .

Fig. 7a zeigt eine Schneidapparatur zur Mikrostrukturierung von Polymerfolien. Fig. 7b zeigt eine milcrostrukturierte Folie wie sie mit einer Schneidapparatur nach Fig. 7a hergestellt werden kann. Die Schneidapparatur besteht aus einer drehbaren Walze 18 zur Aufnahme der Folie, einem Handrad mit Rastpositionen 19, einem Paar von Schneidmessern 20 für das Schneiden der seitlichen Begrenzung der Mikrostruktur folie. Die beiden Schneidmesserpaare 21 werden für das Schneiden der Längskanäle a und b der Mikrostruktur verwendet. Die Stanzmesseraufnahme 22 kann verschiedene Stanzmesser zum Stanzen des Querkanals c, zum Stanzen der Strukturbegrenzungen e und zum Stanzen der Folienbegrenzungen aufnehmen. Fig. 7a shows a cutting apparatus for microstructuring of polymer films. Fig. 7b shows a milcrostrukturierte film as it can be manufactured with a cutting apparatus according to Fig. 7a. The cutting apparatus consists of a rotatable roller 18 for receiving the film, a handwheel with locking positions 19 , a pair of cutting blades 20 for cutting the lateral boundary of the microstructure film. The two pairs of cutting blades 21 are used for cutting the longitudinal channels a and b of the microstructure. The punching knife receptacle 22 can hold various punching knives for punching the transverse channel c, for punching the structure borders e and for punching the film borders.

Die Führung 23 dient zur Ausführung der mit g bezeichneten Positionsbohrungen.The guide 23 is used to execute the position bores designated by g.

Fig. 8 ist eine Fotokopie eines Moduls. In eine 100 µm dicke, schwarz pigmentierte Folie 2 aus Polycarbonat wurden mit der manuellen Schneidapparatur aus Fig. 7 Mikrokanäle 1, 3 und 4 geschnitten. Die strukturierte Folie wurde zwischen zwei transpararente Folien aus Polycarbonat von 400 µm Stärke gelegt und großflächig um die Kanalstruktur herum mit den transparenten Folien durch einen Infrarotlaser ver schweißt (dunkler Bereich). Das so dauerhaft verbundene Modul verfügt über intakte Kanalstrukturen. Figure 8 is a photocopy of a module. Microchannels 1 , 3 and 4 were cut into a 100 μm thick, black pigmented film 2 made of polycarbonate using the manual cutting apparatus from FIG. 7. The structured film was placed between two transparent films made of polycarbonate with a thickness of 400 µm and welded over a large area around the channel structure with the transparent films using an infrared laser (dark area). The permanently connected module has intact channel structures.

Fig. 9a zeigt wie der elektrophoretische Transport von fluoreszenzmarkierter DNA im lasergeschweißten Schichtmodul aus Fig. 8 erfolgt. In Fig. 9b ist das Fluoreszenz signal bei einer Wellenlänge von 520 nm, wie es im dünnen Kanal am Detektor 24 detektiert wird, dargestellt. Unter dem Einfluß der Spannung 25a wird die DNA elektrokinetisch in den breiten Kanal transportiert (Fig. 9a-(a)). Dann wird die Spannung 25b zwischen dem breiten und schmalen Kanal angelegt und die DNA wird mit dem Strom in den Querkanal geleitet (Fig. 9a-(b)). Dort bewegt sie sich unter dem Einfluß der Spannung 25c am schmalen Kanal elektrokinetisch am Detektor 24 vorbei (Fig. 9a-(c)). In Fig. 9b tritt ein Detektorsignal erst in der in Fig. 9a-(c) dargestellten Phase auf. FIG. 9 a shows how the electrophoretic transport of fluorescence-labeled DNA takes place in the laser-welded layer module from FIG. 8. In Fig. 9b, the fluorescence signal at a wavelength of 520 nm, as it is detected in the thin channel on the detector 24 , is shown. Under the influence of the voltage 25 a, the DNA is transported electrokinetically into the broad channel ( Fig. 9a- (a)). Then the voltage 25 b is applied between the wide and narrow channel and the DNA is conducted with the current into the transverse channel ( Fig. 9a- (b)). There, under the influence of the voltage 25 c, it moves electrokinetically past the narrow channel past the detector 24 ( FIG. 9a (c)). In Fig. 9b, a detector signal only appears in the phase shown in Fig. 9a (c).

example 1

Zur Herstellung einer mikrostrukturierten Folie mit einer manuellen Schneidapparatur aus Fig. 7 wird zunächst ein passendes Stück 100 µm starker Folie mittels Klebeband auf der drehbaren Walze 18 fixiert. Durch Einklappen der beiden Schneidmesserpaare 21 und Drehen des Handrades 19 werden gleichzeitig die Längsschnitte für den Mikrokanal a mit 2 mm Breite mit dem entsprechenden Messerabstand von 2 mm und für den Mikrokanal b mit 100 µm Breite mit dem entsprechenden Messerabstand von 100 µm in die Folie geschnitten. Die Begrenzung der Schnittlänge auf 55 mm erfolgt durch zwei Rastpositionen des Handrades. Durch Einklappen der beiden Schneid messer 20 und Drehen des Handrades 19 werden die Längsbegrenzungen der Folie mit einen Abstand von 20 mm geschnitten. Die Schnittbegrenzung nach 91 mm erfolgt ebenfalls durch zwei Rastpositionen des Handrades. Das Stanzen der Querschnitte er folgt nach Einsetzen der jeweiligen Stanzmesser in die Stanzmesseraufnahme 22 durch das Einklappen der Stanzmesser auf die Walze 18 und die darauf befindliche Folie. To produce a microstructured film with a manual cutting apparatus from FIG. 7, a suitable piece of 100 μm thick film is first fixed on the rotatable roller 18 by means of adhesive tape. By folding in the two pairs of cutting knives 21 and turning the handwheel 19 , the longitudinal cuts for the microchannel a with a width of 2 mm with the corresponding knife spacing of 2 mm and for the microchannel b with 100 µm width with the corresponding knife spacing of 100 µm are simultaneously cut into the film . The cutting length is limited to 55 mm by two locking positions of the handwheel. By folding in the two cutting knives 20 and turning the handwheel 19 , the longitudinal limits of the film are cut at a distance of 20 mm. The cut limitation after 91 mm is also done by two locking positions of the handwheel. The punching of the cross sections takes place after inserting the respective punching knife into the punching knife receptacle 22 by folding in the punching knife onto the roller 18 and the foil thereon.

Auf diese Weise werden der Querkanal c, die obere und untere Begrenzung der Mikrokanäle d und e und die obere und untere Begrenzung der Folie f gestanzt. Für jede Stanzposition existiert eine Rastposition des Handrades. Genauso werden die Justierungsbohrungen g mittels Lochstanzer 23 und zwei Rastpositionen des Hand rades erzeugt. Die so hergestellten mikrostrukturierte Folie mit definierten Außen maßen enthält einen schmalen Kanal b von 100 µm Breite und 55 mm Länge, einen breiten Kanal a von 2 mm Breite und 55 mm Länge und einen schmalen Querkanal c von 100 µm Breite und 4 mm Länge. Die Außenmaße der Folie betragen 20 mm Breite und 91 mm Länge.In this way, the transverse channel c, the upper and lower limits of the microchannels d and e and the upper and lower limits of the film f are punched. There is a locking position of the handwheel for each punching position. In the same way, the adjustment holes g are produced by means of punch 23 and two locking positions of the hand wheel. The microstructured film thus produced with defined external dimensions contains a narrow channel b of 100 microns wide and 55 mm long, a wide channel a of 2 mm wide and 55 mm long and a narrow transverse channel c of 100 microns width and 4 mm long. The outer dimensions of the film are 20 mm wide and 91 mm long.

Das Ergebnis des Schneidverfahrens ist in der Fotokopie für eine schwarze Polycarbonat-Folie als Photokopie in Fig. 8 dargestellt.The result of the cutting process is shown in the photocopy for a black polycarbonate film as a photocopy in FIG. 8.

Example 2

Es wurde ein Modul mit einer elastischen, mikrostrukturierten Folie aus thermo plastischem Polyurethan (TPU) von 75 µm Stärke und einer Abdichtung durch An preßdruck hergestellt.It became a module with an elastic, micro-structured film made of thermo plastic polyurethane (TPU) 75 µm thick and sealed by an pressure produced.

Die Mikrokanalstruktur wurde entsprechend dem Beispiel 1 hergestellt. Die elastische Folie wurde zwischen zwei Platten aus Polycarbonat gelegt und mit 19 Schrauben fixiert. Die spanabhebend gefertigten Platten waren jeweils 6 mm stark und die obere Platte enthielt 4 Bohrungen die jeweils an den Kanalenden in der mikrostrukturierten Folie endeten. Oberhalb dieser Bohrungen befanden sich kleine Pufferreservoirs. Durch festes Anziehen der Schrauben wurde die elastische TPU-Folie so zusammen gepreßt, daß sie transparent erschien. In die Pufferreservoirs wurde Tris/Borat-Puffer, der 0.1 molar war und einen pH-Wert von 8.5 hatte, eingefüllt und das gesamte Modul im Vakuum entlüftet. In die Pufferreservoirs wurden Elektroden eingeführt. Das gesamte Modul wurde über Kontaktkühlung mit thermostatisierten Metallflächen auf 10°C abgekühlt. Über die Elektroden wurde zunächst entlang des breiten Kanals eine Spannung von 700 V angelegt und ein Strom von 350 µA gemessen. Beim An legen einer Spannung von 1 kV wurde entlang des schmalen Kanals ein Strom von 25 µA gemessen. Das Verhältnis der gemessenen Ströme entspricht dem Verhältnis der Kanalquerschnitte von schmalem und breitem Kanal. Das zeigt, daß die elektrische Leitung ausschließlich über die puffergefüllten Kanäle verläuft und das Modul ansonsten elektrisch isolierend ist.The microchannel structure was produced in accordance with Example 1. The elastic Foil was placed between two sheets of polycarbonate and with 19 screws fixed. The machined plates were each 6 mm thick and the top one Plate contained 4 holes each at the channel ends in the microstructured Slide ended. Small buffer reservoirs were located above these holes. By tightening the screws firmly, the elastic TPU film became so together pressed that it appeared transparent. Tris / borate buffer was placed in the buffer reservoirs, which was 0.1 molar and had a pH of 8.5, filled in and the whole Vented module in vacuum. Electrodes were inserted into the buffer reservoirs. The entire module was made via contact cooling with thermostatted metal surfaces cooled to 10 ° C. The electrodes were first used along the wide channel a voltage of 700 V is applied and a current of 350 µA is measured. When arriving applying a voltage of 1 kV, a current of 25 µA was along the narrow channel measured. The ratio of the measured currents corresponds to the ratio the cross sections of narrow and wide channels. This shows that the electrical line runs exclusively through the buffer-filled channels and that Module is otherwise electrically insulating.

Example 3

Es wurde ein Modul mit einer schwarz pigmentierten Infrarot-absorbierenden mikro strukturierten Polycarbonat-Folie von 100 µm Stärke hergestellt. Die Abdichtung des Moduls erfolgte durch Laserschweißen.There was a module with a black pigmented infrared absorbing micro structured polycarbonate film made of 100 µm thickness. Sealing the Module was done by laser welding.

Die Mikrokanalstruktur wurde in der Polycarbonat-Folie im wesentlichen ent sprechend dem Beispiel 1 hergestellt. Der Unterschied zum Verfahren aus Beispiel 1 bestand lediglich darin, daß der schmale Kanal mit einer Breite von 200 µm geschnit ten wurde. Die mikrostrukturierte Folie wurde zwischen zwei weitere transparente Folien von 400 µm Stärke gelegt, wobei eine der Folien über 4 runde Löcher jeweils an Positionen, die den Enden der langen Kanäle in der mikrostrukturierten Folie ent sprechen, verfügt. Die Löcher, die dem schmalen Kanal zugeordnet werden können, haben einen Durchmesser von 400 µm, die dem breiten Kanal entsprechenden Löcher einen Durchmesser von 3 mm. Die Folien wurden mit einer Glasplatte auf einem fe sten Untergrund zusammengedrückt und mit einem Nd:YAG-Laserstrahl mit einer effektiven Leistung von 8 W großflächig um die Mikrostruktur abgetastet. Der La serstrahl hatte am Ort der Folien einen Durchmesser von 2,2 mm und die Abtastge schwindigkeit betrug 18 mm/s. Die bestrahlten Bereiche sind in Fig. 8 am intensiveren Schwarz zu erkennen. Obwohl nur von einer Seite bestrahlt wurde, sind die drei Fo lien dauerhaft und fest verschmolzen. Durch den Schmelzvorgang verengte sich der schmale Kanal von 200 µm auf 120 µm. The microchannel structure was produced essentially in accordance with Example 1 in the polycarbonate film. The only difference to the method from Example 1 was that the narrow channel was cut with a width of 200 μm. The microstructured film was placed between two further transparent films of 400 µm thickness, one of the films having 4 round holes each at positions corresponding to the ends of the long channels in the microstructured film. The holes that can be assigned to the narrow channel have a diameter of 400 μm, the holes corresponding to the wide channel have a diameter of 3 mm. The foils were pressed together on a solid surface with a glass plate and scanned with a Nd: YAG laser beam with an effective power of 8 W over a large area around the microstructure. The laser beam had a diameter of 2.2 mm at the location of the foils and the scanning speed was 18 mm / s. The irradiated areas can be seen in FIG. 8 by the more intense black. Although only one side was irradiated, the three foils are permanently and firmly fused. As a result of the melting process, the narrow channel narrowed from 200 µm to 120 µm.

Example 4

Das Modul aus Beispiel 3 wurde mit der Seite, auf der sich die Löcher tragende Folie befindet, mit schnell härtendem Klebstoff gegen eine spanabhebend gefertigte Platte aus Polycarbonat geklebt. Die Platte verfügt über vier Puffergefäße mit Bohrungen von 2 mm Durchmesser, die sich über den Löchern in der Abdeckfolie des Moduls be finden. In die Pufferreservoirs wurde Tris/Borat-Puffer, der 0.1 molar war, 0,1% Methylcellulose enthielt und einen pH-Wert von 8.5 hatte eingefüllt und das gesamte Modul im Vakuum entlüftet. In die Pufferreservoirs wurden Elektroden eingeführt. Das gesamte Modul wurde über Kontaktkühlung mit thermostatisierten Metallflächen auf 10°C abgekühlt. Über die Elektroden wurde zunächst entlang des breiten Kanals eine Spannung von 1 kV angelegt und ein Strom von 270 µA gemessen. Entlang des schmalen Kanals wurde ebenfalls eine Spannung von 1 kV angelegt und ein Strom von 25 µA gemessen. Das zeigt, daß die elektrische Leitung ausschließlich über die puffergefüllten Kanäle verläuft und das Modul ansonsten elektrisch isolierend ist.The module from Example 3 was with the side on which the hole-carrying film with fast-curing adhesive against a machined plate glued from polycarbonate. The plate has four buffer vessels with holes of 2 mm in diameter, which are located above the holes in the cover film of the module Find. Tris / borate buffer, which was 0.1 molar, 0.1% was added to the buffer reservoirs Contained methyl cellulose and a pH of 8.5 had been poured in and the whole Vented module in vacuum. Electrodes were inserted into the buffer reservoirs. The entire module was made via contact cooling with thermostatted metal surfaces cooled to 10 ° C. The electrodes were first used along the wide channel a voltage of 1 kV is applied and a current of 270 µA is measured. Along the A narrow voltage was also applied to a voltage of 1 kV and a current measured at 25 µA. This shows that the electrical line only through the buffer-filled channels and the module is otherwise electrically insulating.

Das so präparierte Modul wurde mit dem Versuchsaufbau gemäß Fig. 9 getestet. Da zu wurde zusätzlich ein laserinduzierter Fluoreszenzdetektor 24 oberhalb der Mikro struktur positioniert. Das Laserlicht eines Argon-Ionen-Lasers mit 488 nm Wellen länge wurde mit einem Lichtleiter in einem Winkel von 45° auf die Moduloberfläche eingestrahlt. Ein zweiter Lichtleiter wurde so positioniert, daß er unter einem Winkel von 90° zur Moduloberfläche emittiertes Licht, dem Detektor 24 zuleitete. In ein Pufferreservoir des breiten Kanals wurde mit einem Fluoreszenzmarker interkalierte DNA, das 10 mikromolar war, gefüllt. Durch Anlegen einer Spannung von 700 V wurde die DNA entlang des breiten Kanals transportiert (Fig. 9a-(a)). Nach 3 min wurde eine Spannung von 1 kV für 10 Sekunden zwischen breitem und schmalem Kanal angelegt, um die DNA über den Querkanal zu transportieren (Fig. 9a-(b)). Nach Umschalten der Spannung auf 1 kV entlang des schmalen Kanals wurde die DNA über ihre Fluoreszenzwellenlänge bei 520 nm nachgewiesen. Das Nachweis signal ist bei (c) in Fig. 9b zu erkennen.The module prepared in this way was tested with the experimental set-up according to FIG. 9. A laser-induced fluorescence detector 24 was additionally positioned above the microstructure. The laser light from an argon-ion laser with a wavelength of 488 nm was irradiated with a light guide at an angle of 45 ° onto the module surface. A second light guide was positioned such that it directed light emitted at an angle of 90 ° to the module surface to the detector 24 . DNA that was intercalated with a fluorescence marker that was 10 micromolar was filled into a wide channel buffer reservoir. The DNA was transported along the wide channel by applying a voltage of 700 V ( FIG. 9a (a)). After 3 minutes, a voltage of 1 kV was applied for 10 seconds between the wide and narrow channels in order to transport the DNA across the transverse channel ( FIG. 9a (b)). After switching the voltage to 1 kV along the narrow channel, the DNA was detected via its fluorescence wavelength at 520 nm. The detection signal can be seen at (c) in Fig. 9b.

Claims

1. Module made of polymer materials with a microchannel system consisting of one or more superimposed polymer films with cutouts in the form of the microchannel structure, with the open channels on the top and Bottom of the film or the stack of films by an upper and a lower Cover layer to be completed and at least one of the cover layers contains at least two accesses to at least one microchannel.

2. Module according to claim 1, characterized in that the cover layers and / or foils are transparent.

3. Module according to claim 1, characterized in that the films radiation absorb with wavelengths in the optical or infrared range.

4. Module according to one of claims 1, characterized in that foils Polycarbonate or polymethymethacrylate can be used.

5. Module according to one of claims 1, characterized in that the foils are made up of different layers, at least one of which Layer adhesive function, absorption function or elastic sealing has function.

6. Module according to one of claims 1 to 5, characterized in that the Films and / or the cover plates forming the channel walls on the channel facing side are coated.

7. Module according to claim 6, characterized in that for coating poly acrylamide, polyvinyl alcohol, oligomeric alkyl amines, nonionic detergents cien such as polyoxyethylene ether or polymeric sugar such as hydroxypropyl methyl cellulose or methyl cellulose can be used.

8. Module according to one of claims 1 to 7, characterized in that the Films a thickness of 10-1000 microns, preferably 10-100 microns, particularly preferably have from 25-75 microns.

9. Module according to one of claims 1 to 8, characterized in that Channel lengths 1 mm to 100 mm, preferably 5-50 mm and the channel widths preferably 1 µm to 5 mm.

10. Module according to one of claims 1 to 9, characterized in that itself on the side facing away from the channel from one or both cover layers the access to the microchannels sample, reagent and / or bufferge barrels.

11. Module according to one of claims 1 to 10, characterized in that itself one or more separation membranes in the access area to the microchannel between an outer cover layer and a film or between two Films in the overlap area of the microchannels or directly in the entrances are in the cover layer.

12. A method for producing a module from polymer materials according to An saying 1, characterized in that one or more films micro be structured and a micro-structured film with the cover layers is connected or several superimposed micro structured foils connected to each other and to the cover layers are so that the channels abge in the or the microstructured films be sealed.

13. The method according to claim 12, characterized in that the micro structuring of the foils by etching, laser ablation, punching and / or Cutting is done.

14. The method according to claim 13, characterized in that the foils are featured be stretched and the individual channels in the longitudinal direction by two parallel arranged knives are cut, the distance between the knives Corresponds to the channel width and the limitation of the channels in the transverse direction Cutting or punching is done.

15. The method according to claim 12, characterized in that the films and the Ver cover layers by pressure, gluing or welding together be bound.

16. The method according to claim 15, characterized in that as a cover layer fixed plates can be used, which are replaced by screws, clips, clamping elements, Rivets or welding and pressure on the between the Apply the cover layers of the foils.

17. The method according to claim 15, characterized in that the films and the Cover layers by hot stamping, heating element welding, infrared beam solution welding, laser welding, ultrasonic welding or high frequency welding.

18. The method according to claim 17, characterized in that the cover layers are transparent and the one or more microstructured Absorb films in the optical or infrared range and the unconnected Arrangement with radiation in a wavelength that the Ab sorption wavelength of the foils corresponds to, irradiated and ver to a module will melt.

19. A method for producing a module according to one of claims 12 to 18, characterized in that the cover layers on the channel facing Side and / or the foils are coated before cutting.

20. A method for producing a module according to one of claims 12 to 19, characterized in that before connecting the foils and the cover layer separation membranes are used.