DE202015104827U1 - Flusssteuerbaustein - Google Patents

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Abstract

Flusssteuerbaustein (1) umfassend mindestens eine integrierte Reagenzvorlage (2), welche mit mindestens einer schlupffreien linearen Peristaltikpumpe (21) flüssigkeitsleitend verbindbar ist, Förderkanäle (31), Verbindungskanäle (32), einen Ventilblock (4) und einen Anschlussblock (5) mit Anschlüssen (51) für einen oder mehrere Fluidverbinder (6), die mit Analysemodulen (7) flüssigkeitsleitend verbindbar sind, wobei die Reagenzvorlage (2) über die Förderkanäle (31) mit dem Ventilblock (4) verbunden ist und der Ventilblock (4) wiederum über die Verbindungskanäle (32) mit dem Anschlussblock (5) verbunden ist, so dass Flüssigkeitsleitwege von der Reagenzvorlage (2) über den Ventilblock (4) und den Anschlussblock (5) hin zu den Anschlüssen (51) für die Fluidverbindern (6) mit den Analysemodulen (7) ausbildbar sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Flusssteuerbaustein zum Fluidmanagement von Flüssigkeiten im Mikromaßstab.
  • DE 197 28 520 A1 offenbart einen schaltbaren dynamischer Mikromischer mit minimalem Totvolumen der dem zyklischen oder kontinuierlichen Mischen kleinster Flüssigkeitsmengen zweier oder mehrere Flüssigkeiten in der Größenordnung von 1 nl bis 10 µl in sehr kurzer Zeit, mit geringem Totvolumen und hoher Effizienz dient und die Integration mehrerer Mikromischer innerhalb eines Grundkörpers ermöglicht. Dieser Mikromischer weist eine Mischkammer auf, die einseitig mit mindestens zwei Zufuhrkanälen in Verbindung gebracht ist und andererseits, den Zufuhrkanälen gegenüberliegend, wenigstens einen Abfuhrkanal aufweist, innerhalb der Mischkammer mehrere magnetisierbare Perlen vorgesehen sind, deren Durchmesser etwas kleiner als die lichte Kammerhöhe der Mischkammer so bemessen ist, dass sich diese innerhalb der Mischkammerwandungen, die einseitig von einer Abdeckung überdeckt sind, frei bewegen können, und deren Gesamtlänge in linearer, einander benachbarter Aufreihung etwas unterhalb der kleinsten lateralen Mischkammerausdehnung festgelegt ist, zwischen dem Mischkammerausgang und dem Eingang des wenigstens einen Abfuhrkanals Rückhaltemittel vorgesehen sind, die ein Vordringen der Perlen in den Abfuhrkanal verhindern.
  • Der Nachteil dieser technischen Lösung besteht darin, dass lediglich ein Durchmischen von Flüssigkeiten im Mikromaßstab möglich ist und kein komplexes Fluidmanagement realisiert werden kann.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Fluidsteuerbaustein anzugeben, welcher ein kompaktes, gut handhabbares (steuer- und regelbares), in verschiedenste Fluidsysteme integrierbares Bauteil zum Fluidmanagement darstellt.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Flusssteuerbaustein gemäß dem ersten Schutzanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den nachgeordneten Ansprüchen ausgeführt.
  • Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass der Fluidsteuerbaustein als Elastomer-Chipsystem ausgeführt ist, welches aus einer biegesteifen Grundplatte aus optisch transparenten Material (insbesondere Glas oder Plaste) und einer strukturierten Deckplatte besteht, wobei die Deckplatte als Elastomer-Formteil ausgeführt ist, das mindestens eine integrierte Reagenzvorlage, welche mit mindestens einer schlupffreien linearen Peristaltikpumpe flüssigkeitsleitend verbindbar ist, Förderkanäle, Verbindungskanäle, einen Ventilblock und einen Anschlussblock mit Anschlüssen für einen oder mehrere Fluidverbinder, die mit Analysemodulen flüssigkeitsleitend verbindbar sind, wobei die Reagenzvorlage über die Förder- und Verbindungskanäle mit dem Ventilblock verbunden ist und der Ventilblock wiederum mit dem Anschlussblock verbunden ist, so dass Flüssigkeitsleitwege von der Reagenzvorlage über den Ventilblock hin zu den Fluidverbindern ausbildbar sind, sowie gegebenen Falles auch Filterelemente umschließt, so dass ein kompaktes, gut handhabbares (steuer- und regelbares), in verschiedenste Fluidsysteme integrierbares Bauteil zum Fluidmanagement bereitgestellt wird.
  • Die Erfindung wird nachstehend an Hand des Ausführungsbeispiels und der Figur näher erläutert. Dabei zeigt:
  • 1: eine schematische Übersichtsdarstellung einer möglichen Ausführungsform des Fluidsteurbausteins und
  • 2: eine schematische Ausschnittdarstellung der Einordnung des Fluidsteurbausteins gemäß 1 in eine Anordnung für die individualisierte Patientenblutanalyse.
  • Der in 1 dargestellte Fluidsteuerbaustein (1) umfasst mindestens eine integrierte Reagenzvorlage (2), welche mit mindestens einer schlupffreien linearen Peristaltikpumpe (21) flüssigkeitsleitend verbindbar ist, Förderkanäle (31), Verbindungskanäle (32), einen Ventilblock (4) und einen Anschlussblock (5) mit Anschlüssen (51) für einen oder mehrere Fluidverbinder (6), die mit Analysemodulen (7) flüssigkeitsleitend verbindbar sind (in 2 dargestellt), wobei die Reagenzvorlage (2) über die Förderkanäle (31) mit dem Ventilblock (4) verbunden ist und der Ventilblock (4) wiederum über die Verbindungskanäle (32) mit dem Anschlussblock (5) verbunden ist, so dass Flüssigkeitsleitwege von der Reagenzvorlage (2) über den Ventilblock (4) und den Anschlussblock (5) hin zu den Fluidverbindern (6) und den Analysemodulen (7) ausbildbar sind.
  • Die Reagenzvorlage (2) ist mit in der 1 nicht dargestellten Reservoiren verbindbar, wobei die Zuordnung der Reservoire zu den Förderkanälen (31) wie folgt gestaltet sein kann:
  • Ein Reservoir ist mit einer Ein- oder Mehrzahl von Förderkanälen (31) verbunden (z.B. für in mehreren Prozessen benötigte und mit unterschiedlichen Förderraten zu entnehmende und zuzuführende Fluide).
  • Mehrere Reservoire sind mit einem Förderkanal (31) verbunden (z.B. für die integrierte Erzeugung einer nicht lagerstabilen Reagenzlösung aus mehreren Fluiden direkt im Förderkanal oder unter Verwendung eines vorgeschalteten Mikromischers).
  • Der Anschlussblock (5) oder die Anschlüssen (51) können optional mit integrierten Filterstrukturen für Separationsaufgaben und einem Dichtelement versehen sein. Dabei sind die Filterelemente als in Kanäle integrierte Säulenarrays oder durch Integration von Filtermembranen in die Verbindungskanäle oder durch Integration kommerziell erhältlicher Filterelementen in den Bauraum zwischen zwei Förder- oder Verbindungskanälen realisiert.
  • Der Fluidsteuerbaustein (1) ist als Elastomer-Chipsystem ausgeführt, welches aus einer biegesteifen Grundplatte aus optisch transparenten Material (insbesondere Glas oder Plaste) und einer strukturierten Deckplatte besteht, wobei die Deckplatte als Elastomer-Formteil ausgeführt ist, das die Reagenzvorlage (2), die Förder- und Verbindungskanäle (31 und 32), den Ventilblock (4) und den Anschlussblock (5) sowie gegebenen Falles die Filterelemente umschließt. Die Verwendung optisch transparenter Materialien für die biegesteife Grundplatte bietet dabei die Möglichkeit, optische und bildbasierte Verfahren und Video-Imaging für die Überwachung der Korrekten Funktion, die Gewinnung bildbasierter und optischer und optischspektroskopischer Information für die Umsetzung von (geschlossenen (closed-loop) Regelkreisen zur Steuerung des Systems, die Anwendung optisch spektroskopischer Verfahren für das Auslesen spektroskopischer / optischer Eigenschaften an beliebigen Positionen des Systems.
  • Die Größenordnung der räumlichen Ausdehnung des Fluidsteuerbausteins (1) liegt dabei im Scheckkartenformat.
  • Die Grundplatte besteht aus inelastischem Material, dient als Träger für die Deckplatte in Form des Elastomer-Formteils und ist mit dieser permanent durch Kleben oder Bonden verbunden.
  • Als Materialien für die Grundplatte können Glas, Silizium, Metalle, thermoplastische Polymere (Polycarbonat, COC, PVC, Polystyrol), duroplastische Polymere (z.B. Elektronik-Leiterplatten) oder keramische Träger (LTCC und Keramikplatten) sein, wobei optisch transparente Materialien bevorzugt werden.
  • Die Deckplatte in Form des Elastomer-Formteiles wird mittels Replikationstechniken (Spritzguss, Abformung eines Masters) hergestellt. Materialien hierfür sind PDMS, Silikongummi, und Sillikon-Werkstoffe, Elastomermaterialien mit Shore-Härten im Bereich zwischen 10 und 120.
  • Das Fügen des Elastomer-Formteils auf die Grundplatte erfolgt mit Klebe- oder Bondverfahren. Bei Verwendung eines Elastomer-Formteils aus PDMS und einer Grundplatte aus Glas empfiehlt sich das selbsttätige Verbonden der Formteile nach Aktivierung der Oberflächen mittels Sauerstoff-Plasma.
  • Die Reagenzvorlage (2) ist als Kavität in der Deckplatte ausgeführt und kann optional mit einem Septum ausgestattete sein. Das Volumen der Reagenzvorlage (2) liegt im Bereich zwischen 5 µl bis hin zu 500 µl (z.B. für Service- und Reinigungsflüssigkeiten).
  • Der Förderkanal (31) ist vorzugsweise als halbrunder linearer Kanale ausgeführt, welcher durch die Peristaltikpumpen aktuierbar ist. Hierfür wird ein Stempel auf die Oberseite des Chips über dem zu aktuierenden Förderkanal (31) so aufgepresst, dass dieser an der Aufpressstelle vollständig abgequetscht wird. Beim Bewegen des Stempels entlang der Kanalrichtung folgt das Fluid dem Stempel und wird somit gefördert. Die Flussrate Q ergibt sich aus Vorschubgeschwindigkeit des Stempels und dem Querschnitt des Förderkanals (31) A zu Q = A·u. Der Förderkanal (31) ist einseitig mit einem Fluidreservoir verbunden und mündet auf der gegenüberliegenden Seite in den Ventilblock (4) ein.
  • Die Dimensionen des Förderkanals (31) liegen dabei im Bereich zwischen 0.3 bis 6 mm (Breite) und 0.15 bis 3 mm (Höhe).
  • Die Verbindungskanäle (32) weisen gegenüber dem Förderkanal (31) geringere Kanalquerschnitte mit Kanalbreiten im Bereich zwischen 0.1 bis 1.2 mm und Kanalhöhen im Bereich zwischen 0.05 bis 0.8 mm auf.
  • Die Peristaltikpumpen (21) sind daten- und informationsleitend mit einer Steuer- und Regeleinheit verbindbar.
  • In den Förder- und Verbindungskanälen (31 und 32) kann eine effiziente Durchmischung durch Pumpen des Fluids in Fluidreservare und Rückpumpen in die Förder- und Verbindungskanäle (31 und 32) realisiert werden.
  • Darüber hinaus kann durch zeitlich periodisches Absenken des Stempels auf den Förderkanal (31) eine Agitation des Fluids realisiert und für die Durchmischung genutzt werden.
  • Darüber hinaus können aus der Literatur bekannte auf dem Multilaminationsprinzip basierende Mikromischer integriert werden. Bei Fluid-Management mit hohen Flussraten und Reynolds Zahlen können auf Prinzipien der Chaotic Advection basierende Mikromischer wie z- B- T-Mischer oder Mäandermischer eingesetzt werden. Diese Systeme wirken oberhalb einer kritischen Reynoldszahl als Mischer (Re > 240 für T-Mischer und Re > 80 für Zickzack-Mischer) und können dann eingesetzt werden, wenn die Fluide mit hohen Transportgeschwindigkeiten und Reynolds Zahlen transportiert werden.
  • Eine weitere Möglichkeit für die effiziente Durchmischung bildet der Fluideintrag durch eine Düse in eine Kavität. Diese Anordnung erzeugt zirkuläre Strömungsmuster in der Kavität welche zu einer effizienten Durchmischung führen und zugleich der Sedimentation von im Fluid enthaltenen Partikeln und Zellen entgegenwirkt.
  • Der Ventilblock (4) ist durch eine Anordnung von Quetschventilen realisiert. An jeder Ventilposition befindet sich ein Ventilstempel, welcher abgesenkt werden kann und dadurch den Elastomekanal abquetscht und formschlüssig verschließt. Dabei sind die Quetschventile daten- und informationsleitend mit einer Steuer- und Regeleinheit verbindbar.
  • Als Aktoren im Ventilblock (4) können aber auch Ventilsstempel, welche pneumatisch, elektromagnetisch, elektrisch (motorisiert) oder als Festkörpergelenke mit integrierte Piezo-Aktoren mit linearem oder tangentialem Hub ausgeführt sein.
  • Für den Antrieb des bewegten Aktorstempels des Peristaltik-Pumpsystems (21) findet eine Ein- oder Mehrzahl regelbarer Linearantriebe Anwendung (bspw. motorisierte Linearführung, pneumatisch angetriebene Linearführung, bzw. Piezoantrieb).
  • Alternativ kann die Aktuation durch über den Förderkanälen angeordnete, absenkbare mit Rollen ausgestattete rotierende Rollenaktoren ausgeführt sind.
  • Die Anordnung der Quetschventile der Peristalitikpumpe (21) ist so gewählt, dass Fluide von beliebigen Einlässen in den Ventilblock (4) zu beliebigen Auslässen des Ventilblockes (4) geleitet werden können. Dabei können Einlässe sowohl bidirektional als auch als Auslässe aus dem Ventilblock (4) betrieben werden. Auf diese Weise können Fluide aus Förderkanal (31) zu beliebigen Auslässen geleitet werden – oder aber bei paralleler Förderung, aus mehreren Förderkanälen (31) miteinander kombiniert und entweder in einen Förderkanal (31) gesammelt oder aber als Mischung durch einen der chipseitigen Anschlüsse (51) des Anschlussblocks (5) zu den fluidisch ankoppelbaren Analysestationen gefördert werden. Ungeachtet der Einfachheit der Implementierung ergibt sich hier die Möglichkeit, Fluid-Förderung mit flexibel konfigurierbaren Probenvorbreitungsschritten zu kombinieren.
  • Der Anschlussblock (5) besteht aus einer Anordnung vertikaler Fluidauslässe, welche fluidisch mit dem Ventilblock (4) verbunden sind. Die fluidische Kontaktierung des Anschlussblocks (5) an nachfolgende Systeme erfolgt durch Aufbressen einer Anschlussplatte, enthaltend die Anschlüsse (51), mit der Funktion von Verbindungskapillaren und ein Dichtelement.
  • Die Anschlussplatte kann automatisch auf die Anschlussposition abgesenkt oder angehoben werden und ermöglicht damit eine lösbare fluidische Anbindung des Flusssteuerbausteines 4 an die nachfolgenden Systeme, wie bspw. Analysemodule.
  • Die Peristaltikpumpe (21) ist daten- und informationsleitend mit einer Kontroll- und Steuereinheit verbunden.
  • Im Betriebszustand erfolgt die Fluidförderung im Fluidsteuerbaustein (1) durch die Förderkraft der schlupffreieren linearer Peristaltikpumpe (21), welche fluidisch an die Reagenzvorlage (2) gekoppelt ist und eine Vorschubgeschwindigkeit einer Flüssigkeit in einen definierten Volumenstrom umsetzt. Dadurch entfällt die Notwendigkeit für die Integration zusätzlicher Sensoren im Fluidsteuerbaustein (1) für die Flussratenmessung und Regelung.
  • Der Fluidsteuerbaustein (1) kann mit Überwachungsfunktionen zur Prüfung/Überwachung der Blasenfreiheit des geförderten Fluids sowie für die Bewertung von Filtrationsprozessen oder Färbeprozeduren in dem geförderten Fluid versehen sein. Hierfür sind kontaktfreie Imaging-Verfahren vorgesehen, welche bei Verwendung optisch transparenter Materialien für die Grundplatte des Fluidsteuerbausteins (1) und eines optischen Monitoring-Systemes unterhalb der Grundplatte als berührungsfreie Sensorik- und Überwachungseinheit in einer Gesamtanordnung integriert werden können.
  • Der Vorteil des Fluidsteuerbausteins (1) besteht darin, dass dieser sehr kompakt und klein, aber dennoch gut handhabbar ist (Checkkartenformat), gut in verschiedenste fluidische Systeme, wie bspw. eine Anordnung für die individualisierte Patientenblutanalyse, insbesondere für Sepsis-Untersuchungen oder eine Anordnung für die Fluidrotation bei Fluid-Transportgeschwindigkeiten mit niedrigen Reynoldszahlen für eine dreidimensionale hydrodynamische Fokussierung zur bildbasierten Untersuchung in einer Durchfluss-Messzelle (Durchfluss-Zytometrie), integierbar ist und dabei zum Fluidmanagement sehr einfach und gut steuer-/regelbar ist.
  • Alle in der Beschreibung, dem Ausführungsbeispiel und den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Fluidsteuerbaustein
    2
    Reagenzvorlage
    21
    Peristaltikpumpe
    31
    Förderkanäle
    32
    Verbindungskanäle
    4
    Ventilblock
    5
    Anschlussblock
    51
    Anschlüsse
    6
    Fluidverbinder
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19728520 A1 [0002]

Claims (8)

  1. Flusssteuerbaustein (1) umfassend mindestens eine integrierte Reagenzvorlage (2), welche mit mindestens einer schlupffreien linearen Peristaltikpumpe (21) flüssigkeitsleitend verbindbar ist, Förderkanäle (31), Verbindungskanäle (32), einen Ventilblock (4) und einen Anschlussblock (5) mit Anschlüssen (51) für einen oder mehrere Fluidverbinder (6), die mit Analysemodulen (7) flüssigkeitsleitend verbindbar sind, wobei die Reagenzvorlage (2) über die Förderkanäle (31) mit dem Ventilblock (4) verbunden ist und der Ventilblock (4) wiederum über die Verbindungskanäle (32) mit dem Anschlussblock (5) verbunden ist, so dass Flüssigkeitsleitwege von der Reagenzvorlage (2) über den Ventilblock (4) und den Anschlussblock (5) hin zu den Anschlüssen (51) für die Fluidverbindern (6) mit den Analysemodulen (7) ausbildbar sind.
  2. Flusssteuerbaustein gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussblock (5) oder die Anschlüssen (51) mit integrierten Filterstrukturen für Separationsaufgaben versehen sind, wobei die Filterelemente als in Kanäle integrierte Säulenarrays oder durch Integration von Filtermembranen in die Verbindungskanäle oder durch Integration von Filterelementen in den Bauraum zwischen zwei Förder- oder Verbindungskanälen realisiert ist.
  3. Flusssteuerbaustein gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidsteuerbaustein (1) ist als Elastomer-Chipsystem ausgeführt ist, welches aus einer biegesteifen Grundplatte aus optisch transparenten Material und einer strukturierten Deckplatte besteht, wobei die Deckplatte als Elastomer-Formteil ausgeführt ist, das die Reagenzvorlage (2), die Förder- und Verbindungskanäle (31 und 32), den Ventilblock (4) und den Anschlussblock (5) umschließt.
  4. Flusssteuerbaustein gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reagenzvorlage (2) ist als Kavität in der Deckplatte ausgeführt und ein Volumen im Bereich zwischen 5 µl bis hin zu 500 µl aufweist.
  5. Flusssteuerbaustein gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Förderkanal (31) als halbrunder linearer Kanal ausgeführt ist, welcher durch eine Peristaltikpumpe (21) aktuierbar ist.
  6. Flusssteuerbaustein gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Förderkanal (31) einseitig mit einem Fluidreservoir verbunden ist und auf der gegenüberliegenden Seite in den Ventilblock (4) einmündet, wobei die Dimensionen des Förderkanals (31) im Bereich einer Breite zwischen 0.3 bis 6 mm und im Bereich einer Höhe 0.15 bis 3 mm liegen.
  7. Flusssteuerbaustein gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (32) eine Kanalbreite im Bereich zwischen 0.1 bis 1.2 mm und eine Kanalhöhe im Bereich zwischen 0.05 bis 0.8 mm aufweist, wobei der Verbindungskanal (32) mit dem Ventilblock (4) verbunden ist und einseitig in den Anschlussblock (5) einmündet.
  8. Flusssteuerbausteins (1) fluidisch eingebunden über Fluidverbinder (6) und Analysemodule (7) in einer Anordnung für die individualisierte Patientenblutanalyse.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE19728520A1 (de) 1997-07-04 1999-01-07 Imb Inst Fuer Molekulare Biote Schaltbarer dynamischer Mikromischer mit minimalem Totvolumen

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