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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung optischer Anwendungen
in Fluiden.
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STAND DER
TECHNIK
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Behandlungen
fluider Medien zum Zweck der analytischen ebenso wie photochemische
Anwendungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Generell müssen die
zu untersuchenden oder photochemisch zu behandelnden Fluide mit
dem Licht in Kontakt gebracht werden, was in einer fluidische Vorrichtung
geschehen kann. Diese nimmt einerseits das Fluid auf, was entweder
im Batch-Verfahren
oder im Durchflussverfahren, gegebenenfalls sogar online erfolgen
kann, und bietet andererseits einen optischen Pfad; also eine Strecke,
entlang der Licht durch das Fluid geleitet wird. Nach der optischen
Anwendung wird das Fluid der Detektions- oder sonstigen optischen
Vorrichtung entnommen, beispielsweise über eine Auslassöffnung mit
Ventil.
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Vorrichtungen,
mittels derer derartige optische Analytik oder Anwendungen durchgeführt werden
können,
sind dem Fachmann bekannt. Die entsprechende Vorrichtung muss Fluid
dicht, druckbeständig,
chemisch inert und außerdem
geeignet sein für
die Lichtleitung; der Lichtfad muss hinsichtlich seiner Geometrie
und weiteren Parametern so gestaltet sein, dass reproduzierbare
Ergebnisse von gewünschter
Auflösung
erhalten werden. Im Stand der Technik sind verschiedene, insbesondere
auch miniaturisierte Vorrichtungen bekannt, welche die vorstehend
genannten Punkte zum Gegenstand haben.
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So
zeigen die
US 6,526,188
B2 und die US 2001/0010747 je eine modulare Durchflusszelle,
die einen hohen Durchsatz ermöglicht,
die einen langen optischen Messpfad und einen kleinen Fließpfad aufweist.
Die Konfiguration der modularen Durchflusszelle umfasst die Beschreibung
verschiedener Lichtein- und – auslass-,
sowie Liquidein- und -auslassverbindungen.
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Die
US 5,444,807 zeigt eine
Durchflusszelle für
den Einsatz von Messungen chemischer Eigenschaften kleiner Volumina
von Fluiden, die gelöste Analyten
enthalten.
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Schließlich offenbart
die
US 5,608,517 eine beschichtete
Flusszelle. Diese umfasst eine Durchflusspassage, worin Licht, welches
in die Flusszelle gelenkt wird, intern reflektiert wird entlang
der Durchflusspassage.
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OFFENBARUNG
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Durchführung optischer
Anwendungen in Fluiden zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch eine
Fluidikvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele
werden durch die Unteransprüche
beschrieben.
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Die
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Vorrichtung, in
der ein fluides Medium der Behandlung mit Licht unterzogen wird,
wobei der Fluid führende
Pfad durch eine Matrix bereitgestellt wird, die eine Struktur aus
benachbarten oder sogar parallel verlaufenden Vertiefungen aufweist.
Eine Struktur, die aus drei Vertiefungen besteht, stellt die mittlere
der drei Vertiefungen zur Fluidleitung bereit, wohingegen die benachbart liegenden
zwei äußeren Vertiefungen
ein Medium führen,
welches auf das Fluid im mittleren Kanal so adaptiert ist, dass
Totalreflexion an den Grenzflächen zwischen
Matrix und dem weiteren Medium entsteht. In Frage kommt statt eines
Mediums auch die Evakuierung des entsprechend abgeschlossenen Kanals. Ein
Steg verbleibt zwischen der mittleren und den äußeren Vertiefungen. Weil das
direkt in das Fluid eingekoppelte Licht eine Totalreflexion beim Übergang Steg
zu entsprechendem Medium oder Vakuum erfährt, erfolgt eine verlustarme
oder -freie Lichtleitung durch das fluide Medium bei gleichzeitiger
Verbesserung der Ausleuchtung des Fluids. Der Fluid leitende Kanal
kann insofern ganz oder über
eine Teilstrecke als Messstrecke genutzt werden; es besteht jedoch auch
die Möglichkeit,
das eingekoppelte Licht lediglich zur Durchführung photochemischer Reaktionen zu
nutzen.
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Der
Fluid- und optische Pfad sowie die weiteren Vertiefungen sind somit Teil
einer Matrix, die auf einfache Weise mit variabler Anzahl von Moduln,
beispielsweise aus Boden-, Stirn- und Deckplatte sowie Vierkant-Zwischenmoduln,
aufgebaut werden kann. Die benötigte
Komponentenzahl wird vorteilhaft möglichst klein gehalten. Die
Einbettung der Vertiefungen für
Fluid und Gas in eine Matrix erweisen sich als vorteilhaft, da die
Anzahl der für
die Fluidikvorrichtung benötigten
Komponenten möglichst
gering ist und somit die Stabilität der Fluidikvorrichtung erhöht und insbesondere
die Freihaltung der optischen Messstrecke von Verunreinigungen verbessert
wird. So führt
die modulare Gestaltung und die Geometrie der vorliegenden Erfindung
zu einer stabilen und Fluid dichten Fluidikvorrichtung mit möglichst
geringer Zahl von Verbindungsstellen. Eine geeignete Materialwahl
ermöglicht
die Verbindung der Moduln zu einer homogenen, chemisch inerten Gesamtmatrix.
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KURZBESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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Weitere
Ausführungsbeispiele
und sowie einige der Vorteile, die mit den Ausführungsbeispielen verbunden
sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung und die
unterstützenden
Figuren dargestellt. Gegenstände
oder Teile derselben, die im Wesentlichen gleich oder sehr ähnlich sind, können mit
denselben Bezugszeichen versehen sein.
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1 zeigt
eine dreidimensionale Aufsicht auf einen Ausschnitt der Fluidikvorrichtung:
Drei zueinander benachbarten Vertiefungen sind durch zwei Vierkant-Längsmoduln
auf einem Bodenplattenmodul realisiert, das vordere Modul ist in
der Explosionsdarstellung gezeigt.
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2 zeigt
einen Frontquerschnitt einer Fluidikvorrichtung mit drei zueinander
benachbarten Vertiefungen, die durch ein Deckenplattenmodul abgedeckt
sind.
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3 zeigt
eine Fluidikvorrichtung in dreidimensionaler Aufsicht ohne Deckenplattenmodul,
wobei die Vertiefungen in der Schnittebene der Matrix mit Umlenkaufsätzen versehen
sind und wobei jeweils ein Lichtwellenleiter von der Frontseite über eine
Mittelkanalfortsetzung bis hin zur Fluid führenden mittleren Vertiefung
geführt
ist.
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4 zeigt
eine dreidimensionale Aufsicht einer Fluidikvorrichtung mit drei
zueinander benachbarten Vertiefungen, die durch ein Deckenplattenmodul
abgedeckt sind, auf die Deckenplatte ist eine Halterung einer Linse
aufgesetzt.
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5a zeigt
eine dreidimensionale Aufsicht einer Fluidikvorrichtung die von
einer Haltevorrichtung gehalten wird.
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5b zeigt
eine dreidimensionale Aufsicht einer Fluidikvorrichtung, die in
der unteren Halbschale einer Haltevorrichtung liegt.
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Ehe
die Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung nachfolgend im Detail beschrieben werden,
wird zunächst
der Begriff „Matrix" definiert:
„Matrix" sei als eine dreidimensionale
Grundmasse zu verstehen, die zur Aufnahme von Substanzen oder Komponenten
geeignet ist und dabei gleichzeitig selbst funktional wirken kann.
Die Matrix kann dabei ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Die
erfindungsgemäße Matrix
hat im Wesentlichen Sandwichcharakter: Sie weist eine Schnittebene
auf und lässt sich
in ein Sandwichunterteil und ein -oberteil gliedern. Im Unterteil
sind im Wesentlichen die funktionalen Komponenten integriert, die
auf unterschiedliche Weise ausgestaltet sein können. Das Matrixmaterial kann
selbst funktional sein, wenn es beispielsweise selbst als Lichtleiter
dient. Die Matrix weist – vorzugsweise
in ihrer Schnittebene – eine
Struktur durch Vertiefungen auf, wobei „Vertiefung" im Sinne von Rille oder
Kanal zu verstehen ist, somit geeignet, um ein Fluid aufzunehmen
und also ein Fluidpfad zu sein. Oder aber die Vertiefung bietet
Raum zum Einführen einer
Komponente von außen,
wie beispielsweise zum Einführen
eines Lichtleiters. Das Oberteil des Sandwichs kann gegebenenfalls
lediglich schützende
und abdeckende Funktion wahrnehmen oder aber es bildet das Komplementärteil zum
unteren Sandwichteil und weist eigene Vertiefungen etc. auf, die sich
mit denen des unteren Teils ergänzen.
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Unter
der erfindungsgemäßen Fluidikvorrichtung
ist eine Vorrichtung zu verstehen, in der optische Analysen von
Fluiden oder und photochemische Anwendungen in fluiden Medien durchgeführt werden können. Eine
solche Vorrichtung umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung zum
einen eine Matrix mit im Wesentlichen drei Vertiefungen, die rillen-
oder kanalartig ausgestaltet sind und die vorteilhaft bezüglich ihrer
Ausrichtung an der Längsachse
der Matrix orientiert sind. Die Vertiefungen verlaufen also wie die
Längsachse
oder parallel zu ihr und sind vorteilhaft mittig in der Schnittebene
der unteren Sandwichhälfte
angeordnet. Die gesamte Fluidikvorrichtung kann jedoch auch Komponenten
wie Lichtleiter, Umlenkaufsätze,
Linsen mit entsprechender Halterung oder Zu- und oder Auslasskapillaren
umfassen.
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Grundsätzlich dient
wenigstens eine der genannten Vertiefungen als Fluidpfad und bietet
zugleich die Möglichkeit,
die Lichtleitung durch das Fluid auf definierte Art und Weise zu
gestalten, also unter Beachtung deroptischen Gesetze, so dass z.
B. kein unkontrollierter Lichtverlust durch Streustrahlung etc.
stattfindet. Dies wird dadurch realisiert, dass dem Fluidpfad zwei
weitere Vertiefungen zumindest entlang einem Teilabschnitt benachbart
sind, die ein Gas oder ein Medium enthalten oder evakuiert sind, so
dass ein in das Fluid eingekoppelter Lichtstrahl bei seitlichem
Verlassen des an dem Fluidpfad angrenzenden Matrixwerkstoffs totalreflektiert
und also in den Messpfad zurückgelenkt
wird. Als Medien kommt neben Luft, sonstigem Gas oder einer Flüssigkeit auch
ein Feststoff wie vorteilhaft ein amorphes Fluorpolymer in Frage,
welcher jedoch auch in Lösung
befindlich zu erhalten ist.
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Um
optische Anwendungen mittels der erfindungsgemäßen Fluidikvorrichtung durchführen zu können, ist
es erforderlich, dass einerseits eine Lichtquelle – gegebenenfalls über einen
Lichtwellenleiter- mit dem Fluid in optischer Verbindung steht,
um so Licht in das zu bestrahlende Fluid hinein zu emittieren. Andrerseits
muss das aus dem Fluid austretende Licht wieder aufgenommen werden,
um es einem Detektor zu Detektionszwecken zuzuführen. Dies kann ebenfalls über einen
Lichtwellenleiter geschehen, der mit dem Detektor einerseits und
dem Fluid andrerseits korrespondiert: Er nimmt das Licht auf, sobald es
aus dem Fluid heraustritt, führt
es zum Detektor, der sodann mit einer Auswerteeinheit kommuniziert.
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1 zeigt
eine dreidimensionale Aufsicht auf einen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Fluidikvorrichtung 1 mit
der Matrix 2 in der Funktion einer „unteren Sandwichhälfte": Ein Bodenplattenmodul 5' dient als Basis,
es hat einen hochgezogenen, einem Vierkant entsprechenden linken
und rechten Begrenzungsrand 10,10'. Zwischen den beiden hochgezogenen
Begrenzungsrändern 10,10' werden durch Vierkant-Längsmoduln 5 trennende
Stege auf dem Bodenplattenmoduls 5' gebildet, so dass zwischen den
Stegen und den Begrenzungsrändern 10,10' die drei Vertiefungen 4,3,4' entstehen,
die folglich zueinander benachbart sind. Die kanalartigen Vertiefungen 4,3,4' erstrecken
sich über
die gesamte Länge des
Bodenplattenmoduls 5'.
Die Vertiefung 3 ist ein Fluidpfad, die parallel verlaufenden
zwei weiteren Vertiefungen 4,4' werden im Betrieb mit Luft oder
einem anderen Medium gefüllt.
Ebenso gut könnten
die Vertiefungen 4,4' jedoch evakuiert sein Vorliegend sind
die Vertiefungen 3,4,4' durch eine Vorder- und Rückbegrenzung,
hier realisiert durch die Moduln 12, so begrenzt, dass
ein Fluid nicht ausläuft.
Die Befüllung
der Vertiefungen 3,4,4', ist nicht figurativ dargestellt.
Wenn nur die Befüllung
des Kanals 3 mit einer Flüssigkeit vorgesehen ist, kann
es vorteilhaft sein, nur diesen Kanal nach vorn und hinten zu begrenzen.
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Das
Material, aus dem das Bodenplattenmodul 5' und die Vierkant-Längsmoduln 5 beschaffen sind,
ist vorzugsweise Quarz. Grundsätzlich
kann die modular aufgebaute Struktur auch einstückig gefertigt werden, wenn
sie beispielsweise aus einer Quarzplatte herausgearbeitet wird.
Dafür kommt
vorteilhaft die Ätztechnik
in Frage. Dann können
die Kanäle
oder Vertiefungen beliebig lang gestaltet werden, je nach gewünschter
Ausführungsform
reichen sie bis zum Rand der Matrix oder sie sind innerhalb der
Matrix angelegt.
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Es
wäre denkbar,
dass die Stege bei der modularen Bauweise nicht durch Vierkant-Längsmoduln gebildet
werden, sondern durch andere geometrische Formen. Auch müssen die
Vertiefungen nicht zwingend über
die ihre gesamte Länge
zueinander parallel verlaufen. Es bietet sich jedoch an, zumindest
die Strecke der Vertiefungen, die als optische Messstrecke dienen
soll – also
wenigstens eine Fluid führende
und zwei mit einem anderen Medium gefüllte bzw. evakuierte Vertiefungen – parallel
zu führen. Weiterhin
ist auch denkbar, die Matrix mit mehr als drei Vertiefungen auszustatten,
solange neben jeder Fluid führenden
Vertiefung zumindest eine Luft bzw. mit entsprechendem Medium gefüllte oder evakuierte Vertiefung
derart angeordnet ist, dass ein Lichtstrahl, der aus dem Fluid in
den benachbarnden Steg gelenkt wird, an einem Steg- bzw. Quarz/Luft-Übergang totalreflektiert
und in das Fluid zurückgelenkt
wird.
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Schließlich zeigen
die Moduln 12 in 1 eine Vertiefung 3': Diese ist
quasi eine Fortsetzung der Vertiefung 3, die somit von
den Vertiefungen 3' lediglich
durch ein dünnes
Stück Wand
des Moduls 12 getrennt ist. Dieses Stück „Wand" ist, wenn die Matrix aus Quarz oder
einem anderen Licht durchlässigen Material
besteht, ein Fenster. Ein Lichtwellenleiter kann von außen an diesem
Fenster anliegen um Licht in die Vertiefung 3 einzukoppeln
oder auszukoppeln.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 2 zeigt eine Fluidikvorrichtung 1 ohne
die Vorder- und Rückbegrenzung
im Querschnitt. Auch hier wird die gewünschten Strukturbildung in
der Matrix 2 durch modularen Aufbau gebildet: Die Vertiefungen 4,3,4' werden dadurch
erhalten, dass auf ein flächiges
Bodenplattenmodul 5' mehrere
Vierkant-Moduln 5 aufgebracht werden, so dass die seitlichen
Außenbegrenzungen – entsprechend
den Begrenzungsrändern 10,10' in 1 – der Luft
führenden
Vertiefungen durch zwei übereinander
zu liegen kommende Vierkant-Moduln 5 gebildet werden, während die
Tiefe der Fluid führenden
Vertiefung 3 durch den modularen Aufbau verringert wird.
Die zwei übereinander
zu liegen kommenden Vierkant-Moduln 5, welche die Außenbegrenzung
bilden, können
in einem anderen Ausführungsbeispiel
auch aus einem einzigen Modul dargestellt werden. Die Stege zwischen
den Vertiefungen 4,3,4' sind hier auf der dem Fluid zugewandten
Seite weniger tief als auf der Luft zugewandten Seite, da die Vertiefung 3 und
somit die Stege aus einem breiten Basis-Vierkantmodul 11 und
zwei weiteren Moduln 5 aufgebaut ist. Schließlich wird
auf die oberen Vierkantmoduln 5 ein Deckenplattenmodul 5'' aufgelegt, welches die Funktion
einer oberen Sandwichhälfte
erfüllt:
Das flächig
ausgebildete Modul 5" schließt die Vertiefungen 4,3,4' nach oben ab.
Somit weist die Matrix 2 eine zwischen den beiden Moduln Bodenplattenmodul 5' und Deckenplattenmodul 5'' liegende Struktur auf.
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Die
in 1 gezeigte Bodenplatte 5' weist außerdem zwei Öffnungen 9' auf, die in
der mittleren Vertiefung zu liegen kommen, so dass die Befüllung durch diese Öffnungen 9,9' erfolgen kann.
Wenn die weiteren Vertiefungen nicht lediglich Luft führen sollen,
ist es vorteilhaft, auch hier verschließbare Öffnungen vorzusehen.
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Die
in 2 gezeigte geringeren Tiefe der Fluid führenden
Vertiefung 3 im Vergleich zu den Luft führenden Vertiefungen 4,4' hat den Vorteil,
dass gerade bei Quarz als Matrixmaterial das durch das Fluid geleitete
Licht durch die vergrößerte Grenzfläche Steg
zu Luft Licht in verbessertem Umfang reflektiert wird als dies bei
geringerer Tiefe der Vertiefungen 4,4' der Fall wäre. Grundsätzlich kann
ein Lichtstrahl, wenn er in die mit Fluid gefüllte Vertiefung 3 der
Fluidikvorrichtung 1 der 1–4 eingekoppelt
wird, eine Totalreflexion erfahren, wenn er aus der Fluid begrenzenden
Quarzschicht auf eine entsprechende Grenzschicht stößt.
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Die
Vertiefungen bzw. Kanäle
oder Rillen der erfindungsgemäßen Fluidikvorrichtung
können grundsätzlich in
weiteren Ausführungsbeispielen
dadurch geschaffen werden, dass sie direkt in eine Quarzplatte eingebracht
werden, die dann die Funktion eines Bodenplattenmoduls übernimmt.
Der Prozess des Einbringens der Kanäle kann dabei abrasive Maßnahmen
wie Fräsen,
Sandstrahlen, Ätzen oder
Laserablation umfassen, die dem Fachmann bekannt sind. Die Querschnittsfläche einer
Vertiefung, respektive eines Ritzes, muss dann nicht rechteckig
sein, wie in den 1 und 2 dargestellt, sie
kann auch rund, oval, dreieckig oder annähernd dreieckig sein. Bei einer
derartigen Gestaltung mit abrasiv eingebrachten Ritzen in eine Bodenplatte umfasst
der modulare Aufbau der Matrix im Wesentlichen zwei Komponenten:
Die strukturierte Bodenplatte und entweder eine einfache Deckenplatte
oder eine komplementäre
strukturierte Deckenplatte.
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Die
Vertiefungen können
im Übrigen
in beide Flächen
der Hauptkomponenten der Matrix, also Ober- und Unterseite der Boden-
oder auch der Abdeckplatte eingebracht sein. Die Fluid führende Vertiefung befindet
sich dann an der Oberseite, an der Unterseite dienen die Vertiefungen
dazu, das Material der Matrix zu reduzieren bzw. eine Komplementärstruktur
zu der Struktur der Oberfläche
zu schaffen und damit eine dünne
Wandstärke
der Vertiefungen zu bewirken.
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Im
Unterschied zu den 1 und 2 zeigt 3 die
erfindungsgemäße Fluidikvorrichtung
mit einer Matrix, die eine mittlere Vertiefung 3 aufweist, die
quasi durch die beiden Vertiefungen 3' durch die ganze Länge der
Matrix verlängert
wird, wobei jedoch zwischen den Vertiefungen 3,3' ein Stück Matrix
stehen bleibt und die Vertiefungen 3,3' wie ein Fenster trennt,
also sozusagen eine Vorder- bzw. Rückbegrenzung darstellt. Die
Vertiefungen 4,4' sind
hier gleich lang wie die Vertiefung 3, sie können aber ebenso
eine andere Länge
haben, so lange sie über eine
gewünschte
Messstrecke so angelegt sind, dass die Totalreflexion gegeben ist,
wenn Licht in den Fluid führenden
Kanal 3 eingekoppelt ist und an den Grenzflächen zu
den Vertiefungen 4,4' reflektiert wird.
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Vorteilhaft
sind hier zwei Lichtwellenleiter 7 in die Fluidikvorrichtung
eingebracht, indem sie einfach in die Vertiefungen 3' eingelegt werden:
Der erste Lichtwellenleiter 7 dient dem Lichteinkoppeln,
die Auskopplung des durch das Fluid transmittierten Lichts erfolgt
durch den zweiten Lichtwellenleiter 7, der mit einer geeigneten,
hier nicht dargestellten Detektoreinheit verbunden ist. Die Lichtein-
und -auskoppelung erfolgt somit durch das die Vertiefungen 3,3' trennende Fenster,
wodurch auch eine Fluid dichte Anordnung des Lichtwellenleiters 7 im
Kanal 3' entfällt.
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Grundsätzlich können die
Lichtwellenleiter plan, aber auch mit als Linse ausgebildeten Enden ausgebildet
sein.
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Die
genannte Vorder- bzw Rückbegrenzung, auch
durch das Modul 12 gebildet, kann eine raue Oberfläche oder
eine strukturierte Oberfläche
aufweisen; sie kann pyramidal oder prismenförmig ausgebildet sein und somit
selbst als optisches Element mit Licht streuender, bündelnder
oder lenkender Wirkung dienen. Grundsätzlich kann auch die Abdeckplatte mit
einer Oberflächenstrukturierung
ausgebildet sein, wenn das Licht direkt von oben über die
Abdeckplatte eingekoppelt wird
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In 3 weist
die Vertiefung 3 ebenso wie die Vertiefungen 4,4' eine Einlassöffnung 9 und
eine Auslassöffnung 9' senkrecht zur
Schnittebene der Matrix 2 auf, die dadurch gebildet wird,
dass sich im Deckenplattenmodul 6 mindestens zwei Bohrungen befinden,
die über
den Enden der Kanäle
vom Bodenplattenmodul angeordnet sind. Das Deckenplattenmodul wird
vollständig
flächig
mit dem Bodenplattenmodul verbunden. Das Deckenplattenmodul ist
in 3 nicht figurativ dargestellt. Es verbleiben hier also
nach Verschließen
mit dem Deckenplattenmodul insgesamt sechs geöffnete Enden der drei Vertiefungen 3,4,4' an der Oberfläche des
Bodenplattenmoduls 5',
je eine eingangs der Vertiefungen 4,4' und eine ausgangs
der Vertiefungen 4,4'. Die nach oben gerichtete Einlassöffnung 9 und
die Auslassöffnung 9' ist hier am
Ende der Vertiefungen 3,4,4' lokalisiert.
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Durch
Zusammensetzten der Sandwichteile der Matrix 2 werden die
Vertiefungen in der Schnittebene bis auf die genannten Öffnungen 9,9' geschlossen.
Um die nun von oben durchzuführende
Befüllung
bzw. Evakuierung der Vertiefungen 3,4,4' vorteilhaft
durchzuführen,
wird eine Umlenkaufsatz 8 auf die jeweils auf gleicher
Höhe befindlichen
nach oben gerichteten Öffnungen 9,9' gesetzt: Vorliegend
dienen zwei Zylinder aus Quarz mit drei Längsbohrungen als Umlenkaufsätze 8.
Die Bohrungen oder Längskanäle stehen
senkrecht auf den entsprechenden Öffnungen der Vertiefungen 3,4,4', so dass Fluid oder
Luft im rechten Winkel entweder durch die Öffnungen 9 in die
Vertiefungen hinein gelenkt wird oder im rechten Winkel aus den
Auslassöffnungen 9' abgeführt wird.
Die Umlenkaufsätze
können
vielgestaltig sein, zylindrische Ausführung ist nicht zwingend. Gerade
eine kubische Form scheint ebenfalls denkbar, da diese wie die zylindrische
Form sich plan auf die Matrix 2 aufsetzen und Fluid dicht
mit dieser verbinden lässt.
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Ebenso
lässt sich
die Vorrichtung auch mit Umlenkaufsätzen in Form eines Mehrschichtigen
Folienverbundes wie beispielsweise mit einer fluidischen Leiterplatte
gestalten.
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Wie
in 3 dargestellt, können die Vertiefungen 3' sich an die
Fluid führende
Vertiefung anschließen.
Sie können
unterschiedliche Längen
haben, die jeweils auf die Länge
des Lichtwellenleiters abgestimmt sind. Das Einbringen und Herausnehmen
und Austauschen der Lichtwellenleiter ist damit leicht möglich. Gegebenenfalls
können
die Lichtwellenleiter in der sie führenden Vertiefung auch punktuell
oder flächig
fixiert werden. Hierfür
kann ein geeigneter Klebstoff verwendet werden. Die Vertiefung 3' kann mit einer
Beschichtung versehen sein, die das unerwünschte Austreten von Licht
aus dem Lichtwellenleiter verhindert.
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Schließlich ist
aber auch eine Zuführung
der Lichtwellenleiter 7 über die in 3 gezeigten
Umlenkaufsätze
an den Enden der Vertiefungen denkbar. Es ist zu beachten, dass
das Licht dann über eine
geeignete Vorrichtung, gegebenenfalls um bis zu 90°, umgelenkt
werden muss. Prismen oder Spiegel dienen zum Umlenken von Licht.
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4 zeigt,
dass die Abdeckung 5'' nicht dieselbe
Größe haben
muss wie die Bodenplatte 5': Es
genügt
insbesondere dann, wenn lediglich Luft in den Vertiefungen 4,4' geführt wird,
allein die Fluid führende
Vertiefung 3 nach oben zu verschließen. Die Fluid führende Vertiefung 3 öffnet sich
nach unten, so dass sie durch die Öffnungen (hier nicht zu sehen),
die sich in der Bodenplatte befinden, befüllt oder entleert werden kann.
Schließlich
zeigt die 4 zwei Linsen 13 mit
ihren Halterungen 13',
die auf der Abdeckung 5'' angeordnet
sind: Das Licht kann über
die Linse durch die Abdeckung 5'',
die ebenfalls aus Quarz ist und somit lichtdurchlässig ist, in
das Fluid ein- und ausgekoppelt werden.
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5a und 5b stellen
die Fluidikvorrichtung 1 dar, wie sie in einer Haltevorrichtung 20 angeordnet
ist. Die Haltevorrichtung 20 kann vorteilhaft aus zwei
Teilen oder Halbschalen 21 beschaffen sein, in deren Schnittebene
die Fluidikvorrichtung eingelegt ist. Dies wird besonders in 5b deutlich: Die
Fluidikvorrichtung 1 ist hier in die untere Halbschale 21 der
Haltevorrichtung 20 eingelegt.
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In 5a sind
die beiden Halbschalen 21 durch eine Verschraubung 22 – eine Klammerung
ist ebenfalls möglich – miteinander
lösbar
verbunden, so dass die Fluidikvorrichtung 1 zwischen die
Halbschalen 21 eingelegt und zum Austausch auch leicht
wieder entnommen werden kann. In 5a sind
zwei Fittings 23 an der Oberseite der Haltevorrichtung 20 zu
sehen, welche eine Fluidzuführung 19 bzw.
Fluidauführung 19' umfassen. Diese
korrespondieren mit der entsprechenden Ein- und Auslassöffnung in der Fluidikvorrichtung 1,
so dass das Fluid in die Fluid führende
Vertiefung ein- bzw. ausgelassen werden kann: Das Fluid wird über die
Fluidzuführung 19,
die im Fitting 23 positioniert ist, durch eine Öffnung im Deckenplattenmodul
in die Fluid führende
Vertiefung geleitet und durch die zweite Öffnung aus der Fluid führenden
Vertiefung über
die im zweiten Fitting 23 positionierte Fluidabführung 19' wieder abgeführt.
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Wenn
die Fittings an der Unterseite der Haltevorrichtung angeordnet sind,
was ebenfalls möglich ist,
muss entsprechend die dem Fitting zugeordnete Öffnung zur Fluidaufnahme bzw.
-abführung
in der Bodenplatte der Matrix angeordnet sein.
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Die
einzelnen Komponenten der Fluidikvorrichtung, also zumindest die
Boden- und Deckenplattenmoduln im Falle der aus nur zwei Komponenten bestehenden
Matrix, müssen
stabil, Fluid dicht und Druck beständig miteinander verbunden
sein. Eine übliche
Verbindungsmöglichkeit
ist Bonding oder Diffusionsbonding. Grundsätzlich kann zur Erzeugung einer
Verbindung ein geeigneter Verbindungswerkstoff zwischen die zu verbindenden
Flächen
gebracht werden. Der Verbindungswerkstoff kann je nach Modulmaterial
aus Metall, Quarz, Klebstoffen, insbesondere polymeren Klebstoffen
wie Polyetherethylketonen gewählt
werden.
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Alle
Moduln, die eine solche Matrix aufbauen, sowie auch die weiteren
an der Fluidikvorrichtung beteiligten Komponenten wie Umlenkvorrichtung oder
Lichtwellenleiter können
zur Erzielung einer derartigen stabilen und Fluid dichten Verbindung
zumindest partiell, also zumindest an den einer anderen Komponente
zugewandten Seiten, mit einer lötbaren, klebbaren
oder schweißbaren
Beschichtung versehen sein. Dabei kann das Beschichtungsmaterial, das
auf eine Komponente aufgetragen ist, beispielsweise auspolymerisieren,
wenn es mit dem Beschichtungsmaterial einer weiteren Komponente
in Verbindung kommt. Es ist auch möglich, dass polymere Klebstoffe
wie Polyetherethylketone vorgeformt, z.B. als Folie zwischen zwei
zu verbindende Flächen
gebracht wird und zum Zeitpunkt der Verbindungsherstellung durch
Erhitzen temporär
aufgeschmolzen wird, so dass die Substanz beim wieder erkalten ihre
Kleb- und Abdichtwirkung entfaltet. Auch polymere Substanzen, die
durch Photopolymerisation ihre Verbindungswirkung entwickeln, sind denkbar:
Dabei könnten
die in die Matrix eingeführten Lichtwellenleiter
die entsprechende Lichtenergie direkt zur Verfügung stellen, so dass in-situ
Polymerisation bewirkt wird.
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Es
ist aber auch denkbar, dass bei geeigneter Strukturierung der Matrix
die Lichtquelle außerhalb
so an die Matrix angebracht wird, dass das Licht direkt in einen
der Stege aus Quarz eingekoppelt wird, der dann als Lichtwellenleiterfungiert
oder direkt in die Fluid führende
Vertiefung einkoppelt wird. Durch das Quarz und geeignete Reflexion
an den Gas- oder Luft führenden – oder evakuierten – Vertiefungen
wird das Licht in die Fluid führende
Vertiefung eingekoppelt. Dort legt das Licht einen Lichtpfad zurück, wird
aus der Fluid führenden
Vertiefung über geeignete
Strukturierung ausgekoppelt und in einem Detektor zugeführt.
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Die
Befüllung
der der Fluidvertiefung benachbarten Vertiefungen erfolgt entweder
mit einem Gas oder einem anderen Medium, das mit Quarz Totalreflexion
bietet, oder aber die Vertiefungen werden evakuiert: Dann können, die
Vertiefungen an den Enden geschlossen, vorzugsweise verschmolzen
werden. Somit entfällt
die Luft- oder Gaszufuhr, die entsprechenden Umlenkaufsätze müssen dann
lediglich für
die Zu- und Abführung
von Fluid oder gegebenenfalls Lichtwellenleiten gestaltet sein.
Die erfindungsgemäße Fluidikvorrichtung
ist derart gestaltet, dass sie als Durchflusszelle betrieben werden
kann.