DE19858443A1

DE19858443A1 - Verfahren zum Abgeben eines Fluids, fluidisches Bauteil sowie Vorrichtung zur Handhabung solcher Bauteile

Info

Publication number: DE19858443A1
Application number: DE1998158443
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Ehrfeld; Hans-Joachim Hartmann
Original assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Current assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Priority date: 1998-12-17
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2000-07-06
Also published as: WO2000035583A1

Abstract

Bei biotechnologischen Anwendungen oder in der Wirkstoffforschung besteht ein Bedarf an fluidischen Bauteilen mit Hohlräumen zur Aufnahme von Fluiden, die sich gezielt bei Bedarf zum Abgeben des Fluids öffnen lassen. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein sich in einem Hohlraum befindliches Fluid dadurch abgegeben, daß eine den Hohlraum begrenzende Wand in dem zu öffnenden Bereich mittels Laserstrahlung zerstört wird. Bei dem entsprechenden fluidischen Bauteil ist das Material der den Hohlraum begrenzenden Wand derart gewählt und die Wand derart ausgebildet, daß ein Bereich der Wand zum Öffnen des Hohlraums durch Laserstrahlung zerstörbar ist. Vorteilhaft hierbei ist, daß das in dem Hohlraum befindliche Fluid unabhängig äußerer Kräfte, wie äußerer Druck oder Zentrifugalkräfte, zuverlässig am Ausströmen gehindert ist. Mit dem Verfahren lassen sich gezielt Hohlräume in komplexen fluidischen Systemen verbinden. Ebenfalls wird eine Vorrichtung zur Handhabung solcher Bauteile beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abgeben eines Fluids gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1, ein fluidisches Bauteil sowie eine Vorrichtung zur Handhabung fluidischer Bauteile.

Fluidische Bauteile mit mindestens einem Hohlraum zur Aufnahme von Fluiden finden zunehmend Anwendung in der Biotechnologie, der kombinatorischen Chemie und beim High Throughput-Screening in der Wirkstoffforschung. Fluidische Bauteile können beispielsweise Mikroreaktionsgefäße, Titerplatten, auf einem Bauteil integrierte Analysesysteme oder Bauteile zur Kapillarelektrophorese sein. Solche Bauteile weisen als Hohlräume insbesondere Kammern und Kanäle auf. Häufig zeigt sich das Erfordernis, daß solch ein Hohlraum zunächst verschlossen sein soll, beispielsweise zur Lagerung von Substanzen oder zur Durchführung einer chemischen Reaktion, und später der Hohlraum geöffnet bzw. mit einem anderen Hohlraum verbunden werden soll, beispielsweise um eine Substanz abzugeben oder eine Substanz weiter zu prozessieren.

Aus der WO 97/15394 sind Titerplatten bekannt, bei denen die einzelnen als Vertiefungen ausgestalteten Hohlräume in ihrem Boden jeweils eine kleine Öffnung aufweisen. Eine sich in einem Hohlraum befindliche Flüssigkeit kann durch einen Gasdruckpuls dosiert durch die kleine Öffnung abgegeben werden. Nachteilig hierbei ist, daß die Größe der Öffnung auf die Oberflächenspannung der verwendeten Flüssigkeit abzustimmen ist. Weiterhin kann ein mit dem Verdunsten der Flüssigkeit einhergehendes Auskristallisieren zu einem Verstopfen der kleinen Öffnung führen.

In der EP 0 329 120 A2 wird eine Anordnung von Reaktionsgefäßen in der Art einer Titerplatten vorgeschlagen, wobei nach einer Ausführung in den Böden der Hohlräume kleine Öffnungen vorhanden sind, die mit einem Pfropfen verschlossen sind. Auch hier kann durch Aufgabe eines Gasdruckpulses der Pfropfen herausgedrückt und die Flüssigkeit abgegeben werden. Hiebei ist es nachteilig, daß eine dosierte Abgabe aufgrund des zum Entfernen des Pfropfens aufzubauenden Drucks nicht ohne weiteres möglich ist. Darüber hinaus könnte der ebenfalls abgegebene Pfropfen bei der weiteren Handhabung stören.

Ein Gerät zur Handhabung solcher Titerplatten mit einer Vorrichtung zum gezielten Beaufschlagen mit einem Gasdruckpuls wird in der WO 92/02303 vorgeschlagen.

In der WO 97/21090 werden als fluidische Bauteile integrierte Systeme zur Mikroanalyse bzw. Mikrosynthese vorgeschlagen, bei denen eine Flüssigkeit durch Zentrifugalkräfte in definierten Kanälen bewegt wird. Hierzu wird das Bauteil um eine Achse rotiert. Das Bauteil, vorzugsweise eine Scheibe, weist Kanäle, Reagenzien Reservoirs, Reaktionskammern, Detektionskammern sowie Zu- und Abführungen auf. Zudem können auch aktive Systeme, wie Wämetauscher, Elektrophorese- oder Analysesysteme, vorgesehen sein. Zum selektiven Öffnen von Hohlräumen werden auf den Seiten 24-28 piezoelektrische, pneumatische, elektrostatische Ventilarten erwähnt. Solche Ventile bedürfen jedoch eine elektrische oder pneumatische Verbindung, die aufgrund der Rotation des Bauteils nicht einfach zu realisieren ist. Darüber hinaus werden Ventile, die durch Relaxation polymerer, nicht im Gleichgewichtszustand befindlicher Strukturen schalten, vorgeschlagen. Solche Ventile Schalten bei lokaler Erwärmung, beispielsweise mittels eines Lasers. Da mehrere Materialien zu verwenden sind und eine Struktur im Nicht- Gleichgewichtszustand zu fixieren ist, gestaltet sich die Herstellung als relativ aufwendig. Schließlich werden auch Verengungen in kapillarartigen Kanälen aufweisende Ventile erwähnt. Hier ist jedoch eine Abhängigkeit von der Oberflächenspannung der verwendeten Flüssigkeit gegeben.

Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren bereit zu stellen, mit dem ein in einem Hohlraum eines fluidischen Bauteils befindliches Fluid durch gezieltes, einfaches und berührungsloses Öffnen zumindest eines Bereichs einer den Hohlraum begrenzenden Wand abgegeben werden kann, ohne daß hierzu aktive Elemente innerhalb des fluidischen Bauteils erforderlich sind. Ebenso ist es Aufgabe der Erfindung, ein dieses Verfahren ermöglichendes fluidisches Bauteil aufzuzeigen. Schließlich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine entsprechende Vorrichtung zur Handhabung solcher fluidischer Bauteile vorzuschlagen.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, durch ein fluidisches Bauteil nach Anspruch 13 sowie durch eine Vorrichtung nach Anspruch 28 gelöst. Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Nach dem Verfahren wird ein in einem Hohlraum eines fluidischen Bauteils befindliches Fluid abgegeben, in dem eine den Hohlraum begrenzende Wand zumindest in einem Bereich geöffnet wird. Hierzu wird durch Zuführen von Energie mittels elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise Laserstrahlung, der zu öffnende Bereich der Wand zumindest teilweise zerstört.

Mittels elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, ausreichender Energiedichte kann gezielt und berührungslos eine Öffnung in der Wand erzeugt werden, die den Hohlraum begrenzt, in dem sich das Fluid befindet.

Das Verwenden von Laserstrahlung zur Erzeugung feinster Strukturen und Löcher ist bekannt. So wird in der WO 97/15394 erwähnt, daß in den Böden der Ausnehmungen einer Titerplatte mittels eines Lasers Löcher erzeugt werden können. Solche Titerplatten, bei denen jede Ausnehmung ein Loch im Boden aufweist, können Flüssigkeiten aufnehmen, wobei die Flüssigkeit auf Grund der Oberflächenspannung nicht ausfließt. Durch gezieltes Beaufschlagen mit einem Gasdruckpuls kann die Flüssigkeit durch das Loch abgegeben werden. Alle Löcher werden also bei der Herstellung in die Titerplatte eingebracht.

Im Gegensatz hierzu wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erst bei Gebrauch des fluidischen Bauteils gezielt eine Öffnung erzeugt, um ein in einem Hohlraum befindliches Fluid abzugeben. Durch die geschlossene Wand ist das Fluid also zunächst am ausströmen gehindert. Hierbei spielt die Oberflächenspannung des Fluids und ein in dem Hohlraum herrschender Druck keine Rolle. Mittels vorzugsweise eines Laserstrahls wird gezielt ein Bereich der Wand zerstört und damit eine Öffnung geschaffen, so daß das Fluid ausströmen kann.

Als Fluid sind Flüssigkeiten, Gase und Mehrphasensysteme, wie Dispersionen oder Emulsionen, geeignet. Besonders geeignete fluidische Bauteile werden zu den Ansprüchen 13 bis 27 beschrieben. Vorteilhaft weist zumindest der zu öffnende Bereich der den Hohlraum begrenzenden Wand eine Dicke < 500 µm, vorzugsweise < 100 µm, auf.

Vorteilhaft wird elektromagnetische Strahlung zumindest einer Wellenlänge verwendet, die von zumindest dem zu öffnenden Bereich der Wand absorbiert wird. Der bevorzugte Wellenlängebereich liegt von 100 nm bis 12000 nm, besonders bevorzugt von 300 nm bis 2000 nm. In diesen Bereichen lassen sich sowohl geeignete Strahlungsquellen, beispielsweise Infrarot-Diodenlaser, Faser-Laser, Nd:YAG-Laser, Excimer-Laser oder CO₂-Laser, als auch geeignete, in diesem Bereich absorbierende Materialien finden. Der Laser kann kontinuierlich oder gepulst betrieben werden. Das Zerstören des zu öffnenden Bereichs erfolgt durch Aufschmelzen, Verdampfen, Sublimieren, Zersetzen oder/und durch die thermische Belastung verursachte innere mechanische Spannungen des Wandmaterials. Im folgenden werden zur Vereinfachung nur die Begriffe Laserstrahl, Laserstrahlung und Laser verwendet, wobei stets die allgemeinere Bedeutung elektromagnetischer Strahl, elektromagnetische Strahlung bzw. elektromagnetische Strahlungsquelle zu verstehen ist.

Vorteilhaft wird die Laserstrahlung auf den zu öffnenden Bereich fokussiert. Es ist jedoch auch möglich, ohne Fokussierung zu arbeiten, beispielsweise mittels kollimierter Laserstrahlung ausreichender Energiedichte.

Das Verfahren eignet sich besonders zum Abgeben eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, aus einem fluidischen Bauteil, das mehrere in der Art der Ausnehmungen von Titerplatten ausgebildete und angeordnete Hohlräume zur Aufnahme, chemischen Umsetzung oder/und Lagerung von Fluiden aufweist. Insbesondere sind Titerplatten mit einem ausreichend dünnen Boden geeignet, wobei der Boden vorzugsweise aus einem polymeren Werkstoff besteht.

Nach einer Variante des Verfahrens, die beispielsweise bei Titerplatten zum Einsatz kommt, wird in einer nach außen grenzenden, einen Hohlraum abgrenzenden Wand eine Öffnung erzeugt, wodurch ein sich im Hohlraum befindliches Fluid aus dem fluidischen Bauteil nach außen abgegeben wird.

Nach einer zweiten Variante des Verfahrens wird das Fluid in einen vom ersten Hohlraum durch die Wand getrennten zweiten Hohlraum des selben fluidischen Bauteils abgegeben. Damit kann ein in einem ersten Hohlraum befindliches Fluid in einen zweiten Hohlraum des fluidischen Bauteils überführt werden, wobei zunächst beide Hohlräume durch eine Wand voneinander getrennt waren.

Um die zu öffnende Wand mit dem Laserstrahl zu erreichen, kann es von Vorteil sein, den Laserstrahl so zu führen, daß ein Teil des fluidischen Bauteils durchdrungen wird, bevor der Laserstrahl den zu öffnenden Bereich der Wand trifft. Hierzu wird vorzugsweise ein fluidisches Bauteil verwendet, das zumindest in dem von dem Laserstrahl zu durchdringenden Teil für die verwendete Strahlung weitgehend transparent ist.

Es ist jedoch auch möglich, daß die zu öffnende Wand das gleiche Material aufweist wie der vom Laserstrahl zu durchdringende Teil des fluidischen Bauteils. Hierzu wird der Laserstrahl auf den zu öffnenden Bereich fokussiert. Damit wird im fokussierten Bereich eine Energiedichte erreicht, die ein Zerstören eines Bereichs der Wand ermöglicht, während der vom Laserstrahl zu durchdringende Teil in einem aufgeweiteten Strahlbereich liegt, so daß hier aufgrund der erniedrigten Energiedichte keine Zerstörung stattfindet.

Die Fokussierung kann durch ein im Strahlengang angebrachtes Linsensystem erreicht werden. Durch Veränderung der Lage des Fokus können auch im Laserstrahl hintereinanderliegende Bereiche gezielt zerstört werden und damit unterschiedliche Hohlräume geöffnet werden.

Vorteilhaft wird die Laserstrahlung beim Durchdringen eines Teils des fluidischen Bauteils auf den zu öffnenden Bereich fokussiert. Hierzu sind Bereiche des fluidischen Bauteils so geformt und angeordnet, daß eine Fokussierung des Strahls erreicht wird. Dies kann beispielsweise durch in das Bauteil integrierte Linsensysteme oder eingeprägte Mikrolinsen erzielt werden.

Im einfachsten Fall wird das in dem Hohlraum befindliche Fluid durch die geöffnete Wand aufgrund der Schwerkraft abgegeben. Vorteilhaft wird hierzu ein äußerer Druck angelegt. So ermöglichen beispielsweise Gasdruckpulse ein Abgeben definierter Flüssigkeitsmengen aus dem Hohlraum. Nach einer anderen Variante wird bei Rotation des fluidischen Bauteils um eine Achse durch die auftretenden Zentrifugalkräfte das Fluid aus dem Hohlraum abgegeben. Dieses Verfahren wird ausführlich in der WO 97/21090 sowie in der darin zitierten Literatur beschrieben.

Von besonderem Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daher, daß die Hohlräume zunächst verschlossen sind, so daß externe Kräfte, wie äußerer Druck oder Zentrifugalkräfte, erst beim gezielten Öffnen der die Hohlräume begrenzenden Wände zu einem Abgeben des Fluids führen.

In einem fluidischen Bauteil können mehrere, in einer oder verschiedenen Ebenen liegende zu öffnende Bereiche vorgesehen sein. Um diese Bereiche gezielt öffnen zu können, wird das fluidische Bauteil und der Laser oder/und der Laserstrahl relativ zueinander positioniert. Hierzu kann beispielsweise ein Spiegelsystem vorgesehen sein, daß eine Ablenkung des Laserstrahls auf beliebige Bereiche des fluidischen Bauteils ermöglicht. Es kann jedoch der Laser auch direkt positioniert werden. Die Positionierung kann auch durch Rotation des fluidischen Bauteils, was auch zum Transport von Flüssigkeiten durch Zentrifugalkräfte genutzt wird, erfolgen. Hierbei kann, hinreichend kurze Laserpulse vorausgesetzt, das Verfahren am rotierenden fluidischen Bauteil durchgeführt werden.

Das erfindungsgemäße fluidische Bauteil weist mindestens ein Hohlraum zur Aufnahme von Fluiden auf, wobei das Material einer den Hohlraum begrenzenden Wand derart gewählt und die Wand derart ausgebildet ist, daß ein Bereich der Wand zum Öffnen des Hohlraums durch Zufuhr von Energie mittels elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise mittels Laserstrahlung, zerstörbar ist. Das fluidische Bauteil eignet sich besonders zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Wand weist zumindest in dem zu öffnenden Bereich vorzugsweise eine Dicke < 500 µm, besonders bevorzugt < 100 µm, auf. Das fluidische Bauteil, Teile hiervon oder zumindest die zu öffnende Wand bestehen vorteilhaft aus einem polymeren Material. Besonders geeignet sind thermoplastische . Materialien, wie Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Polyoxymethylen, Polyethylen oder Cyclische Olefincopolymere. Unter Verwendung polymerer Materialien lassen sich fluidische Bauteile oder Teile hiervon kostengünstig mittels Abformverfahren, wie Spritzgießen oder Prägen, herstellen. Besonders bevorzugt besteht das fluidische Bauteil aus einem einstückigen polymeren Teil. Zur abformtechnischen Herstellung mikrofluidischer Systeme werden vorteilhaft mittels mikrotechnischer Verfahren, wie Funkenerosion oder/und LIGA, hergestellte Formeinsätze verwendet. Das fluidische Bauteil oder zumindest Teile hiervon können jedoch aus anderen Materialien, wie Glas, Quarzglas, Metall oder/und Keramik bestehen.

Vorteilhaft ist das Material der Wand zumindest in dem zu öffnenden Bereich derart gewählt, daß Laserstrahlung in zumindest einem Teil des Wellenlängenbereichs von 100 nm bis 12000 nm, vorzugsweise von 300 nm bis 2000 nm, absorbiert. Anstelle eines absobierenden Materials der Wand kann auch auf oder in die Wand zumindest in dem zu öffnenden Bereich ein die Laserstrahlung absorbierendes Material aufgebracht bzw. integriert sein. So können auf die Oberfläche der Wand oder in das Material der Wand absorbierende Partikel, beispielsweise aus Kohlenstoff, oder ein Farbstoff aufgebracht bzw. eingebracht sein. Ist das Material nur im zu öffnenden Bereich aufgebracht bzw. integriert und ist das eigentliche Material der Wand für den betreffenden Wellenlängenbereich weitergehend transparent, so kann, ohne daß eine genaue Positionierung oder Fokussierung erforderlich ist, gezielt der Bereich geöffnet werden.

Damit die Laserstrahlung Teile des fluidischen Bauteils bis zum zu öffnenden Bereich durchdringen kann, ist es von Vorteil, daß das fluidische Bauteil zumindest in einem Bereich um die zu öffnende Wand in einem Wellenlängenbereich transparent ist, in dem die Wand selbst absorbiert.

Um eine Fokussierung des Laserstrahls beim Durchdringen des fluidischen Bauteils zu erreichen, weist das Bauteil vorteilhaft mindestens ein Element zur Fokussierung von Laserstrahlung auf den zu öffnenden Bereich der Wand auf. So können bei der Herstellung des Bauteils gleichzeitig Linsensysteme integriert, beispielsweise Mikrolinsen mittels Heißprägen hergestellt werden.

Nach einer Ausführungsform weist das fluidische Bauteil mehrere nebeneinander angeordnete, zu einer Seite zugängliche Hohlräume auf. Bevorzugt sind die Hohlräume in der Art der Ausnehmungen einer Titerplatte ausgebildet und angeordnet.

Nach einer weiteren Ausführungsform weist das fluidische Bauteil mindestens zwei durch eine Wand voneinander getrennte Hohlräume auf. Die Hohlräume können beispielsweise Reaktionskammern oder Kanäle sein, die mit weiteren Kanälen oder Kammern in Verbindung stehen. Damit kann durch Öffnen der Wand ein Fluid von dem ersten Hohlraum in den zweiten Hohlraum bzw. umgekehrt abgegeben werden.

Vorteilhaft weist hierbei das fluidische Bauteil mindestens zwei Teile, ein Ober- und ein Unterteil, wobei beide Teile jeweils mindestens einen der Hohlräume aufweisen, und mindestens eine die beiden Hohlräume als Wand voneinander trennende Folie auf. Die Teile können beispielsweise plattenförmige Teile sein, die Vertiefungen oder Ausnehmungen aufweisen, wobei zwischen beiden Teilen eine Folie angeordnet ist, so daß die Vertiefungen oder Ausnehmungen durch die Folie abgedeckt werden und dadurch definierte Hohlräume gebildet werden. An mindestens einer Stelle sind zwei Hohlräume durch die Folie voneinander getrennt, so daß mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Zerstören der Folie in diesem Bereich die beiden Hohlräume miteinander verbunden werden.

Besonders vorteilhaft ist mindestens ein Teil des fluidischen Bauteils in einem Wellenlängenbereich transparent, in dem die Folie absorbiert. Damit ist es möglich den Laserstrahl durch das transparente Teil auf den zu öffnenden Bereich der Folie zu richten bzw. fokussieren.

Nach einer anderen Ausführungsform weist das fluidische Bauteil mehr als zwei Teile, beispielsweise ein Ober-, Mittel- und Unterteil auf, wobei Teile Hohlräume aufweisen und sich zwischen Teilen, beispielsweise zwischen Ober- und Mittelteil sowie zwischen Mittel- und Unterteil, jeweils mindestens eine Folie zum Trennen von Hohlräumen befindet. Jeweils ein Teil und die angrenzende Folie können auch als ein einstückiges Teil realisiert sein. Mit solchen mehrlagigen Ausführungen lassen sich komplexe fluidische Systeme mit voneinander getrennten, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren miteinander zu verbindenden Hohlräumen realisieren. Hierbei können sich die Hohlräume, beispielsweise Kanäle und Kammern, in jeweils einem Teil oder auch über mehrere Teile hinweg erstrecken.

Vorteilhaft sind die Hohlräume derart angeordnet, daß eine Flüssigkeit in bzw. zwischen den Hohlräumen durch Anlegen eines äußeren Drucks, beispielsweise in Form von Gasdruckpulsen, durch die Schwerkraft oder/und bei Rotation des Bauteils um eine Achse durch Zentrifugalkräfte bewegbar ist. Bauteile und Strukturen zum Transport von Flüssigkeiten mittels Zentrifugalkräften werden ausführlich in der WO 97/21090 und in der darin angeführten Literatur beschrieben.

Das fluidische Bauteil weist je nach Anwendung vorteilhaft als Kanäle, Reaktionskammern, Detektionskammern, Mischerstrukturen, Trennstrukturen, Verzweigerstrukturen oder/und Wärmetauscher ausgebildete Hohlräume auf Solche Bauteile können zur Lagerung, zur Durchführung physikalischer oder/ und chemischer Umsetzungen oder/und zur Analyse verwendet werden. In die fluidischen Bauteile können weitere funktionelle Elemente, beispielsweise Sensoren, Heizquellen, aktive Ventile, Pumpen, Analysesysteme oder Elektrophoresesysteme, integriert sein oder an solche angeschlossen werden.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Handhabung erfindungsgemäßer fluidischer Bauteile. Die Vorrichtung weist eine Aufnahme für mindestens ein solches fluidisches Bauteil, eine Positioniereinrichtung zum relativen Positionieren des Bauteils und mindestens eines Lasers oder/und eines Laserstrahls zueinander, sowie eine mit der Positioniereinrichtung und dem Laser verbundene Steuereinheit zum gezielten Abgeben eines Fluids nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 12 auf.

Nach einer Ausführungsform weist die Vorrichtung mindestens eine mit der Steuereinheit verbundene Fokussiereinheit zum Fokussieren des Laserstrahls auf den zu öffnenden Bereich auf. Hierdurch ist es möglich auf unterschiedliche, insbesondere in verschiedenen Ebenen liegende Bereiche zu fokussieren.

Um Flüssigkeiten in Hohlräumen mittels Zentrifugalkräften zu transportieren, weist die Vorrichtung eine Antriebseinrichtung zur Rotation des fluidischen Bauteils um eine Achse auf. Dieser Antrieb kann gleichzeitig Bestandteil der Positioniereinrichtung sein, wozu der Antrieb mit der Steuereinheit verbunden ist.

Werden Flüssigkeiten mittels äußeren Druck befördert, so weist die Vorrichtung vorteilhaft eine mit der Steuereinheit verbundene Druckgebereinrichtung zum gezielten Zuführen von Gasdruckpulsen an entsprechende Zuführungen des fluidischen Bauteils auf. Dies kann beispielsweise eine ein schnell schaltendes Ventil aufweisende Druckluftquelle sein.

Vorteilhaft weist die Vorrichtung mindestens eine mit der Steuereinheit verbundene Lese- oder/und Schreibeinheit zum Auslesen bzw. Schreiben von optisch oder/und magnetisch auf dem fluidischen Bauteil gespeicherten Informationen auf. Hierzu weist das fluidische Bauteil entsprechend auslesbare oder beschreibbare Bereiche auf. So kann das fluidische Bauteil in Form einer Scheibe als zusätzlich optischer Informationsträger in der Art einer CD-ROM oder in Form eines flachen Chips als zusätzlich magnetischer Informationsträger in der Art einer Magnetkarte ausgestaltet sein.

Die Vorrichtung kann weitere Einrichtungen zur Durchführung von Analysen, Trennungen, chemischen Umsetzungen, Probenbehandlung oder Probentransfer enthalten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in perspektivischer Darstellung geschnitten von der Seite:

Fig. 1 ein fluidisches Bauteil in der Art einer Titerplatte,

Fig. 2 ein scheibenförmiges fluidisches Bauteil mit einem Ober- und Unterteil und einer dazwischen angeordneten Folie,

Fig. 3 ein zweiteiliges fluidisches Bauteil mit übereinander angeordneten Hohlräumen.

In der Fig. 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes fluidisches Bauteil 1 dargestellt. Die nebeneinander angeordneten, zur Oberseite hin zugänglichen Hohlräume 2a, 2b, 2c, . . . sind in der Art der Ausnehmungen einer Titerplatte ausgebildet und angeordnet. Jeder Hohlraum 2a, 2b, 2c, . . . ist zur Unterseite durch jeweils eine Wand 3a, 3b, 3c, . . . begrenzt. Das Material jeder Wand 3a, 3b, 3c, . . . ist derart gewählt und jede Wand 3a, 3b, 3c, . . . derart ausgebildet, daß diese mittels Laserstrahlung geeigneter Wellenlänge und Energiedichte zerstörbar ist. Das fluidische Bauteil 1 besteht aus einem einstückigen, abformtechnisch hergestellten Teil aus einem thermoplastischen polymeren Material, wobei die Wände 3a, 3b, 3c, . . . eine Dicke von etwa 250 µm aufweisen. Der Durchmesser jedes zylindrischen Hohlraums 2a, 2b, 2c, . . . beträgt etwa 2 mm. Das fluidische Bauteil 1 dient zur Aufnahme kleinster Substanzmengen, deren weiteren chemischen Umsetzung oder/und Lagerung, wozu die Oberseite zur Vermeidung von Verdunstung mit einer Folie, beispielsweise durch Auflaminieren, abgedeckt werden kann. Um die in einem Hohlraum 2b befindliche Flüssigkeit 8 abgeben zu können, wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels eines Lasers 5 ein Bereich der Wand 3b zerstört. In der Fig. 1 weist die Wand 3a eine mittels des Lasers 5 erzeugte Öffnung 4 als kleines Loch auf. Mittels eines Spiegelsystems, hier ist nur ein Spiegel 7 sowie dessen Bewegungsrichtung durch einen Doppelpfeil angedeutet, kann der Laserstrahl 6 gezielt auf Wände 3a, 3b, 3c, . . . gerichtet werden.

Beispielsweise kann das fluidische Bauteil 1 mittels Spritzguß aus Polycarbonat hergestellt sein. Als Laser kann ein KrF-Excimer-Laser einer Wellenlänge von 248 nm mit einer Energiedichte von 1 J/cm² bei einer Pulsdauer von etwa 20 ns verwendet werden.

In der Fig. 2 ist ein fluidisches Bauteil 10 dargestellt, in dem eine Flüssigkeit mittels Zentrifugalkräften bewegt werden kann. Das scheibenförmige Bauteil 10 besteht aus einem Oberteil 11a, einem Unterteil 11b und einer dazwischen angeordneten Folie 13. Das Oberteil 11a weist mehrere Bohrungen als fluidische Zuführungen 20a, 20b, 20c, . . . auf. Die Zuführung 20a steht in Verbindung mit einem Hohlraum 12a. Der Hohlraum 12a wird durch eine Ausnehmung in der Unterseite des Oberteils 11a gebildet. Das Unterteil 11b weist auf seiner Oberseite eine Ausnehmung auf, die einen Hohlraum 12b und eine mit dieser in Verbindung stehende Detektionskammer 21 bildet. Im zusammengefügten Zustand liegen die Hohlräume 12a und 12b an einer Stelle zueinander in Deckung, sind jedoch an dieser Stelle durch die Folie 13 voneinander getrennt. In dem Hohlraum 12a befindet sich eine Flüssigkeit 18. Um die Flüssigkeit 18 aus dem Hohlraum 12a in den Hohlraum 12b abzugeben, wird mittels einer Lasers 15 und einer Spiegelanordnung 17 der Laserstrahl 16 auf den zu öffnenden Bereich der durch die Folie 13 gebildeten Wand 14 gerichtet. Das Unterteil 11b ist in dem betreffenden Wellenlängenbereich transparent, um ein Durchdringen des Lasersstrahls zu ermöglichen, während die Folie in dem Wellenlängenbereich des Lasers absorbiert. Nach dem Öffnen kann die Flüssigkeit 18 bei Rotation des Bauteils 10 um die Achse 22 durch Zentrifugalkräfte in den Hohlraum 12b und die Detektionskammer 21 befördert werden.

Der Übersichtlichkeit halber sind in der Darstellung des fluidischen Bauteils nur wenige Hohlräume und Strukturen dargestellt. In solchen Bauteilen lassen sich sehr komplexe fluidische Systeme mit unterschiedlichen Funktionalitäten realisieren, wobei das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet ist, gezielt einzelne Hohlräume zu öffnen, um ein Abgeben eines Fluids zu ermöglichen.

Das fluidische Bauteil 30 nach Fig. 3 weist ein Oberteil 31a und ein Unterteil 31b auf. In beiden Teilen 31a, 31b sind als Hohlräume Ausnehmungen 32a, 32b, 32c, . . . sowie 35a, 35b, 35c, . . . in der Art der Ausnehmungen einer Titerplatte angeordnet, wobei jeweils zwei Ausnehmungen 32a und 35a, 32b und 35b, usw. übereinander angeordnet sind und die beiden Ausnehmungen jeweils durch eine Wand 33a, 33b, . . . voneinander getrennt sind. Die Wände 33a, 33b, . . . sind einstückiger Bestandteil des Oberteils 31a. Die unteren Hohlräume 35a, 35b, 35c, . . . sind durch die Wände 36a, 36b, 36c, . . ., die einstückiger Bestandteil des Unterteils 31b sind, abgeschlossen. Ein Laser 39 und ein Spiegelsystem 41 ermöglichen die Positionierung des Laserstrahls 40 auf unterschiedliche Bereiche des fluidischen Bauteils. Mittels einer Fokussiereinrichtung 42 kann der Laserstrahl 40 sowohl auf die aus dem Oberteil 31a als auch auf die aus dem Unterteil 31b gebildeten Wände 33a, 33b, . . . bzw. 36a, 36b, . . . fokussiert werden. In der Fig. 3 ist schematisch ein auf die Wand 33b fokussierter Laserstrahl 40 dargestellt. Der Laserstrahl durchdringt hierbei das Unterteil 31b im Bereich der Wand 36b, wobei aufgrund des in diesem Bereich aufgeweiteten Laserstrahls 40 keine Zerstörung der weitgehend transparenten Wand 36b erfolgt. Nach Zerstörung eines Bereichs der Wand 36b, d. h. Erzeugen einer kleinen Öffnung, könnte die in dem Hohlraum 32b befindliche Flüssigkeit 43 in den Hohlraum 35b abgegeben werden. Dies wurde bei den rechts hiervon liegenden Hohlräumen 32c, 35c bereits vorgenommen; die Wand 33c weist daher eine Öffnung 38 auf und in dem Hohlraum 35c befindet sich eine Flüssigkeit 44. Die Wände 33a und 36b weisen jeweils eine mittels eines Lasers erzeugte Öffnung 34, 37 auf.

Für dieses fluidische Bauteil 30 ergibt sich beispielsweise folgende Einsatzmöglichkeit:
Die Ausnehmungen 32a, 32b, . . . des Oberteils 31a können Substanzen zur chemischen Umsetzung aufnehmen. Nach einer Reaktionszeit, beispielsweise nach Durchfahren eines Temperaturzyklus, werden mittels des Lasers 39 gezielt Öffnungen in den Wände 33a, 33b, . . . des Oberteils 31a erzeugt. Damit werden die Substanzen aus den oberen Hohlräumen 32a, 32b, . . . in die darunter befindlichen Hohlräume 35a, 35b, . . . abgegeben. Diese Hohlräume können bereits einen Wirkstoff enthalten, der die weitere Umsetzung oder/und Analyse der Substanzen ermöglicht. Die so umgesetzten Substanzen können in den unteren Hohlräumen gelagert werden und bei Bedarf nach Öffnen der unteren Wand 36a, 36b, . . . abgegeben werden. Ebenso ist eine Analyse, beispielsweise durch optische Detektion, der Substanzen in den Hohlräumen 35a, 35b, . . . möglich.

Bezugszeichenliste

1

Fluidisches Bauteil

2

a,

2

b,

2

c, . . . Hohlraum

3

a,

3

b,

3

c, . . . zu öffnende Wand

4

Öffnung

5

Laser

6

Laserstrahl

7

Spiegel

8

Flüssigkeit

10

Fluidisches Bauteil

11

a,

11

b Ober-/Unterteil

12

a,

12

b Hohlraum

13

Folie

14

zu öffnende Wand

15

Laser

16

Laserstrahl

17

Spiegel

18

Flüssigkeit

20

a,

20

b, . . . Bohrung als Zuführung

21

Detektionskammer

22

Drehachse

30

Fluidisches Bauteil

31

a,

31

b, . . . Ober-/Unterteil

32

a,

32

b, . . . Hohlraum

33

a,

33

b, . . . zu öffnende Wand

34

Öffnung

35

a,

35

b, . . . Hohlraum

36

a,

36

b, . . . zu öffnende Wand

37

Öffnung

38

Öffnung

39

Laser

40

Laserstrahl

41

Spiegel

42

Fokussiereinrichtung

43

,

44

,

45

Flüssigkeit

Claims

1. Verfahren zum Abgeben eines in einem Hohlraum eines fluidischen Bauteils befindlichen Fluids durch Öffnen zumindest eines Bereichs einer den Hohlraum begrenzenden Wand, gekennzeichnet durch zumindest teilweises Zerstören des zu öffnenden Bereichs der Wand durch Zuführen von Energie mittels elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise Laserstrahlung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß elektromagnetische Strahlung zumindest einer Wellenlänge verwendet wird, die von der Wand zumindest in dem zu öffnenden Bereich absorbiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 100 nm bis 12000 nm, vorzugsweise von 300 nm bis 2000 nm verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung auf den zu öffnenden Bereich fokussiert wird.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein fluidisches Bauteil mit einer den Hohlraum begrenzenden Wand eine Dicke, zumindest in dem zu öffnenden Bereich, kleiner als 500 µm, vorzugsweise kleiner als 100 µm, verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein fluidisches Bauteil mit mehreren in der Art der Ausnehmungen von Titerplatten ausgebildeten und angeordneten Hohlräumen zur Aufnahme, chemischen Umsetzung, Analyse oder/und Lagerung von Fluiden verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid in einen vom ersten Hohlraum durch die Wand getrennten zweiten Hohlraum des selben fluidischen Bauteils abgegeben wird.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung derart zugeführt wird, daß die Strahlung vor dem Auftreffen auf den zu öffnenden Bereich einen Teil des fluidischen Bauteils durchdringt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein fluidisches Bauteil verwendet wird, das zumindest in dem von der Strahlung zu durchdringenden Teil für die verwendete Strahlung weitgehend transparent ist.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung beim Durchdringen eines Teils des fluidischen Bauteils auf den zu öffnenden Bereich fokussiert wird.

11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Öffnen das Fluid durch einen angelegten äußeren Druck oder/und bei Rotation des fluidischen Bauteils um eine Achse durch Zentrifugalkräfte abgegeben wird.

12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das fluidische Bauteil und eine elektromagnetische Strahlungsquelle, vorzugsweise ein Laser, oder/und ein elektromagnetischer Strahl, vorzugsweise ein Laserstrahl, vor dem Öffnen relativ zueinander positioniert werden.

13. Fluidisches Bauteil mit mindestens einem Hohlraum zur Aufnahme von Fluiden, wobei das Material einer den Hohlraum begrenzenden Wand derart gewählt und die Wand derart ausgebildet ist, daß ein Bereich der Wand zum Öffnen des Hohlraums durch Zufuhr von Energie mittels elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise mittels Laserstrahlung, zerstörbar ist.

14. Fluidisches Bauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand zumindest in dem zu öffnenden Bereich eine Dicke < 500 µm, vorzugsweise < 100 µm, aufweist.

15. Fluidisches Bauteil nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand zumindest in dem zu öffnenden Bereich elektromagnetische Strahlung in zumindest einem Teil des Wellenlängenbereichs von 100 nm bis 12000 nm, vorzugsweise von 300 nm bis 2000 nm, absorbiert.

16. Fluidisches Bauteil nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf oder in die Wand zumindest in dem zu öffnenden Bereich ein die elektromagnetische Strahlung absorbierendes Material aufgebracht bzw. integriert ist.

17. Fluidisches Bauteil nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das fluidische Bauteil zumindest in einem Bereich um die zu öffnende Wand in einem Wellenlängenbereich transparent ist, in dem die Wand selbst absorbiert.

18. Fluidisches Bauteil nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das fluidische Bauteil mindestens ein Element zur Fokussierung elektromagnetischer Strahlung auf den zu öffnenden Bereich der Wand aufweist.

19. Fluidisches Bauteil nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das fluidische Bauteil aus einem einstückigen polymeren Teil besteht.

20. Fluidisches Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 19, gekennzeichnet durch mehrere nebeneinander angeordnete, zu einer Seite zugängliche Hohlräume (2a, 2b, 2c, . . .).

21. Fluidisches Bauteil nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume in der Art der Ausnehmungen einer Titerplatte ausgebildet und angeordnet sind.

22. Fluidisches Bauteil nach einem der Ansprüche 13 bis 21, gekennzeichnet durch mindestens zwei durch eine Wand voneinander getrennte Hohlräume.

23. Fluidisches Bauteil (10) nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch mindestens zwei Teile, ein Ober- und ein Unterteil (11a, 11b), wobei das Oberteil (11a) und das Unterteil (11b) jeweils mindestens einen der Hohlräume (12a, 12b) aufweisen, und mindestens eine die beiden Hohlräume (12a, 12b) als Wand voneinander trennende Folie (13).

24. Fluidisches Bauteil (10) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil (11b) des fluidischen Bauteils in einem Wellenlängenbereich transparent ist, in dem die Folie (13) absorbiert.

25. Fluidisches Bauteil nach einem der Ansprüche 13 bis 24, gekennzeichnet durch mehr als zwei Teile, wobei Teile Hohlräume aufweisen und sich zwischen Teilen jeweils mindestens eine Folie zum Trennen von Hohlräumen befindet.

26. Fluidisches Bauteil nach einem der Ansprüche 13 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume derart angeordnet sind, daß eine Flüssigkeit in bzw. zwischen den Hohlräumen durch Anlegen eines äußeren Drucks, durch die Schwerkraft oder/und bei Rotation des Bauteils um eine Achse durch Zentrifugalkräfte bewegbar ist.

27. Fluidisches Bauteil nach einem der Ansprüche 13 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume Kanäle, Reaktionskammern, Detektionskammern, Mischerstrukturen, Trennstrukturen, Verzweigerstrukturen oder/und Wärmetauscher aufweisen.

28. Vorrichtung zur Handhabung fluidischer Bauteile nach einem der Ansprüche 13 bis 27 mit einer Aufnahme für mindestens ein solches fluidisches Bauteil, mit mindestens einer Positioniereinrichtung zum relativen Positionieren des fluidischen Bauteils und mindestens einer elektromagnetischen Strahlungsquelle, vorzugsweise eines Lasers, oder/ und eines elektromagnetischen Strahls, vorzugsweise eines Laserstrahls, zueinander sowie mit einer mit der Positioniereinrichtung und der elektromagnetischen Strahlungsquelle verbundenen Steuereinheit zum gezielten Abgeben eines Fluids nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 12.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28, gekennzeichnet durch mindestens eine mit der Steuereinheit verbundene Fokussiereinheit zum Fokussieren des elektromagnetischen Strahls, vorzugsweise Laserstrahls, auf den zu öffnenden Bereich.

30. Vorrichtung nach Anspruch 28 oder 29, gekennzeichnet durch eine Antriebseinrichtung zur Rotation des fluidischen Bauteils um eine Achse zum Bewegen einer Flüssigkeit durch Zentrifugalkräfte.

31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 30, gekennzeichnet durch mindestens eine mit der Steuereinheit verbundene Lese- oder/und Schreibeinheit zum Auslesen bzw. Schreiben von optisch oder/und magnetisch auf dem fluidischen Bauteil gespeicherten Informationen.

32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 31, gekennzeichnet durch eine mit der Steuereinheit verbundene Druckgebereinrichtung zum gezielten Zuführen von Gasdruckpulsen an entsprechende Zuführungen des fluidischen Bauteils.