DE60130679T2 - Ventil dem eine mikrofluide flüssigkeitstransportanordnung integral zugeordnet ist - Google Patents

Ventil dem eine mikrofluide flüssigkeitstransportanordnung integral zugeordnet ist Download PDF

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung bezieht sich auf Ventile, die mit Mikrofluid-Aufbauten verbunden sind, und spezieller, auf Ventile, die integral verbunden sind mit Mikrofluid-Aufbauten, die an den Transport von flüssigen Proben für analytische Zwecke angepasst sind.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Eine Vielfalt analytischer Instrumente wird verwendet, um flüssige Proben zu charakterisieren, die einen Analyten von Interesse enthalten, insbesondere im Kontext von Assays, die auf die Echt-Zeit-Detektion von biomolekularen Wechselwirkungen gerichtet sind. Zum Beispiel ist das Studium von biomolekularen Echt-Zeit-Wechselwirkungen durch die Verwendung von „Biosensoren" nun von grundlegender Wichtigkeit auf vielen Gebieten, einschließlich Biologie, Immunologie und Pharmakologie. In diesem Kontext umfassen viele biosensor-basierende analytische Instrumente „Strukturen für Mikrofluid", angepasst an den Transport einer oder mehrerer flüssiger Proben durch eine Wechselwirkungs- oder eine Detektionszone. Derartige Strukturen für Mikrofluid umfassen allgemein eine Blockeinheit, die mehrfache innere Kanäle, Einlass- und Auslassanschlüsse, Pumpen und Ventile besitzt; von diesen arbeiten alle zusammen, um kleine Volumina der flüssigen Probe und verschiedener anderer Puffer und Reagenzien durch eine oder mehrere Wechselwirkungs- und/oder Detektionszonen fließen zu lassen.
  • Eine beispielhafte Struktur für Mikrofluid für eine derartige Flüssigkeitshandhabung kann dargestellt werden im Kontext von Biosensoren, die Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) verwenden, um die Wechselwirkungen zwischen einem Analyten und einem Liganden zu überwachen, der an einen festen Träger gebunden ist. In diesem Zusammenhang wird eine repräsentative Klasse der Biosensorinstrumentierung verkauft von Biacore AB (Uppsala, Schweden), unter dem Handelsnamen BIAcore® (im folgenden bezeichnet als „das BIAcore-Instrument"). Das BIAcore-Instrument umfasst eine lichtemittierende Diode, einen Sensorchip, bedeckt mit einem dünnen Goldfilm, eine integrierte Kartusche für Mikrofluid und einen Fotodetektor. Einfallendes Licht von der Diode wird reflektiert im Goldfilm und detektiert durch den Fotodetektor. Bei einem bestimmten Einfallswinkel („der SPR-Winkel") wird eine Oberflächenplasmonenwelle in der Goldschicht erzeugt, die als ein Intensitätsverlust oder „eine Senke" im reflektierten Licht detektiert wird. Die theoretische Basis hinter dem BIAcore-Instrument wurde vollständig beschrieben in der Literatur (siehe z. B. Jönsson, U. et al., Biotechniques 11: 620–627, 1991).
  • Spezieller, wie am besten in 1 (Stand der Technik) gezeigt ist, umfasst ein repräsentatives BIAcore-Instrument 100 eine Lichtquelle 102, ein erstes Linsenmittel 104 zum Richten eines transversal sich erstreckenden konvergenten Strahls 106 in Richtung eines Prismas 108, wobei der Strahl fokussiert wird in der unteren Oberfläche des Prismas 108, um so einen Lichtstreifen 10 zu bilden. Lichtstrahlen, die von den sensibilisierten Oberflächen reflektiert werden, werden über ein anamorphes Linsensystem 112 auf eine zweidimensionale Fotodetektorvorrichtung 114 abgebildet. Die elektronischen Signale, die von den Fotodetektoren erzeugt werden, werden in einer Bewertungsvorrichtung 116 in der Form eines Computers verarbeitet.
  • Mittels des Prismas 108 und dem Opto-Interface 118 wird Licht vom Streifen 110 auf eine Sensoreinheit 120 gerichtet, die in Kontakt mit einer Anzahl von parallelen, nach oben offenen Abschnitten 122A–D von jeweiligen Flusskanälen 124A–D steht; nur einer davon, 124A ist gezeigt. Die Flusskanäle bilden einen Teil einer Blockeinheit 126 für die Flüssigkeitshandhabung, diese Blockeinheit ist gezeigt mit schematisch angezeigten Einlassverbindungsröhrchen 128 und 130 und Auslassverbindungs-röhrchen 132 und 134. Eine vollständige Beschreibung dieses repräsentativen BIAcore-Instruments, einschließlich seiner Blockeinheit für Mikrofluid zum Fliessen-Lassen von Lösungen darin, kann gefunden werden in US-Patent Nr. 5,313,264 .
  • Wie vollständig beschrieben ist in US-Patent Nr. 5,313,264 , und wie auch am besten gesehen wird in 1 (Stand der Technik), entsprechen die nach oben offenen Abschnitte 122A–D der Flusskanäle 124A–D (nur der Flusskanal 124A ist gezeigt) einer Schicht 136 eines abdichtenden Elastomermaterials (z. B. Silikongummi oder dergleichen), die eine Anzahl von Schnitten oder Schlitzen besitzt, die sich durch sie erstrecken. Die erste Schicht 136 wurde gegossen auf einem Plateau 138, das integral mit einer Basisplatte 140 vorliegt. Die Basisplatte 140 ist bevorzugt ein festes Element, hergestellt aus beispielsweise Kunststoff, Metall, Keramik oder dergleichen.
  • Wie am besten in den entsprechenden 1A und 1B gesehen werden kann, wurde eine zweite Schicht 142 eines Elastomermaterials (z. B. Silikongummi oder dergleichen) aufgebracht durch beispielsweise Gießen auf die Unterseite der Basisplatte 140. Die zweite Schicht 142 ist versehen mit einem System von Flusskanälen oder Leitungen, die durch Gießen gebildet sind. Eine dritte Schicht 144, bevorzugt vom selben Material wie jenes der zweiten Schicht 142, wurde auf eine Trägerplatte 146 gegossen, die aus festem Material erzeugt ist (bevorzugt erzeugt aus demselben Material wie jenes der Basisplatte 140).
  • In Anbetracht der vorstehenden Beschreibung wird leicht verstanden werden, dass, wenn das BIAcore-Instrument 100 in einer betreibbaren Konfiguration vorliegt, so dass die Sensoreinheit 120 gegen eine erste Schicht 136 durch das Opto-Interface 118 gedrückt wird, die nach oben gerichteten Abschnitte 122A–D in der ersten Schicht 136 in einer flüssigkeitsdichten Beziehung gegen die Sensoreinheit 120 abgedichtet ist und vier Fließzellen bilden. Zum Zwecke der Einfachheit werden diese vier Fließzellen auch 122A–D bezeichnet.
  • Außerdem wird im Betrieb eine flüssige Probe veranlasst, durch einen oder mehrere der Fließzellen 122A–D zu fließen. Spezieller pumpt eine Pumpe (nicht gezeigt) die flüssige Probe in das Einlassröhrchen 128, durch einen Einlasskanal 148, durch ein offenes Ventil 150 und dann durch einen primären Kanal 152 mit einem festgesetzten und gut definierten Volumen, bis sie ein geschlossenes Ventil 154 erreicht. Das geschlossene Ventil 154 leitet die flüssige Probe in einen Abfallkanal 156, der über das mit dem Auslass verbundene Röhrchen 134 mit einem Entsorgungsempfänger 158 verbunden ist.
  • Als nächstes wird ein Ventil (nicht gezeigt) am Ende stromaufwärts des Abfallkanals 156 geschlossen, und zur selben Zeit wird das Ventil 150 auch geschlossen. Die flüssige Probe im primären Volumen ist nun bereit, um in die Fließzelle 122A gepumpt zu werden. Dies wird ausgeführt mit Hilfe einer Eluenten-Lösung 160 die durch eine Pumpe 162 durch das Einlassröhrchen 130 zu einer Eluenten-Leitung 164 gepumpt wird, die in einem Ventil (nicht gezeigt) endet, das nun geöffnet wird mit Ventil 154. Fortgesetzes Pumpen der Eluenten-Lösung 160 verursacht, dass die vorrückende Eluenten-Lösung nach vorne gegen das primäre Volumen der Flüssigkeitsprobe drückt und sie dazu zwingt, nach oben durch eine Steigleitung 166 in die Platte 138 vorzurücken, und dann in die Fließzelle 122A, und dann herab durch eine zweite Steigleitung 168 und heraus durch einen Ausströmkanal 170 und ein Auslassröhrchen 132. Aus dem Auslassröhrchen 132 wird die Probenflüssigkeit, gefolgt von der Eluenten-Lösungen, in einen Abfallentsorgungsempfänger 172 geleitet. Wenn die Probenflüssigkeit, die ein/eine vorbestimmte(s) Volumen und/oder Fließgeschwindigkeit besitzt, entlang der Fließzelle 122A fließt, wird die chemische Wechselwirkung zwischen der Probenflüssigkeit und der Empfängeroberfläche der Sensoreinheit 120 optisch detektiert und analysiert.
  • Ein Aspekt, der mit der oben beschriebenen Struktur für Mikrofluid verbunden ist, liegt jedoch in der zweiten Elastomerschicht 142 (1A und 1B), deren Elastomerschicht einen Teil der Ventile bildet. Im Allgemeinen besitzt die Elastomerschicht eine niedrige chemische Beständigkeit und kann eine hohe Permeabilität im Hinblick auf bestimmte Gase und kleine Moleküle besitzen. Diese beiden Eigenschaften sind weniger als optimal in bestimmten Ausführungsformen. Demgemäß gibt es eine Notwendigkeit in der Technik für verbesserte Strukturen für Mikrofluid, angepasst an den Transport von flüssigen Proben für analytische Zwecke.
  • Die vorliegende Erfindung entspricht diesen Notwendigkeiten und stellt weitere damit verwandte Vorteile bereit.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung offenbart ein Ventil, integral verbunden mit einer Transportvorrichtung für Mikrofluid, das nützlich ist zum Regeln des Flusses einer flüssigen Probe durch ein analytisches Instrument wie zum Beispiel einen Biosensor. Das Ventil, integral verbunden mit einer Transportvorrichtung für mikrofluide Flüssigkeit, umfasst eine erste starre Schicht mit im wesentlichen planaren und entgegengesetzten ersten und zweiten Oberflächen; eine zweite starre Schicht mit im wesentlichen planaren und entgegengesetzten dritten und vierten Oberflächen, wobei die dritte Oberfläche der zweiten starren Schicht im wesentlichen koplanar ist und integral gebunden ist an die zweite Oberfläche der ersten starren Schicht; einen ersten Durchgang, definiert durch eine Rille, wobei die Rille sich entlang der zweiten Oberfläche der ersten starren Schicht befindet und durch die dritte Oberfläche der zweiten starren Schicht begrenzt ist, wobei der erste Durchgang angepasst ist, um eine flüssige Probe durchfließen zu lassen; einen Ventilsitz mit einer im wesentlichen planaren Plateauoberfläche, wobei der Ventilsitz sich innerhalb des ersten Durchgangs befindet und integral mit der ersten starren Schicht derart verbunden ist, dass die Plateauoberfläche im wesentlichen planar zu und angeordnet ist zwischen der ersten und zweiten Oberfläche der ersten starren Schicht; und eine flexible Membran gegenüber dem Ventilsitz und sich erstreckend über ein erstes Membrandurchgangsloch der zweiten starren Schicht von einer zusätzlichen Menge der Membran, die koextensiv um die Wand des Durchgangsloches angeordnet ist, wobei die flexible Membran eine Durchgangsoberfläche besitzt, die entweder (i) im wesentlichen koplanar zur zweiten Oberfläche der ersten starren Schicht ist, wenn sich das Ventil in einer offenen Position befindet, oder (ii) gewölbt ist, wobei eine zentraler Abschnitt davon im wesentlichen koplanar zur Plateauoberfläche des Ventilsitzes ist, wenn sich das Ventil in einer geschlossenen Position befindet. Die vorliegende Erfindung ist auch gerichtet auf Verfahren zum Herstellen desselben.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 stellt eine schematische Explosionsansicht eines repräsentativen optischen Biosensors gemäß des Stands der Technik dar.
  • 1A stellt eine Teil-Querschnittsansicht der 1 dar, die ein Ventil in seiner offenen Position zeigt.
  • 1B stellt eine entsprechende alternative Querschnittsansicht dar, die das Ventil in seiner geschlossenen Position zeigt.
  • 2 stellt eine vordere Draufsicht einer Vorrichtung für Mikrofluid gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
  • 3 stellt eine Seitendraufsicht der in 2 gezeigten Vorrichtung für Mikrofluid dar.
  • 4 stellt eine Querschnittsansicht der in 2 gezeigten Vorrichtung für Mikrofluid dar, entlang der Linie 4-4.
  • 5 stellt eine isometrische Explosionsansicht mehrerer Platten dar, die eine Vorrichtung für Mikrofluid gemäß der vorliegenden Erfindung aufbauen, und die gezeigt sind zusammen mit einer isometrischen Explosionsansicht einer Form, die zum Injizieren eines elastomeren Materials geeignet ist, das ein Ventil bildet, das integral mit der Vorrichtung für Mikrofluid verbunden ist.
  • 6 ist eine vergrößerte Ansicht des Ventilsitzes, der in 5 gezeigt ist.
  • 7A–C zeigen vordere, seitliche und rückseitige Draufsichten einer ersten Platte, die mit einer Vorrichtung für Mikrofluid gemäß der vorliegenden Erfindung verbunden ist.
  • 8A–C zeigen vordere, seitliche und rückseitige Draufsichten einer zweiten Platte, die mit einer Vorrichtung für Mikrofluid gemäß der vorliegenden Erfindung verbunden ist.
  • 9A–C zeigen vordere, seitliche und rückseitige Draufsichten einer dritten Platte, die mit einer Vorrichtung für Mikrofluid gemäß der vorliegenden Erfindung verbunden ist.
  • 10A–C zeigen Draufsichten einer vierten Platte, die mit einer Vorrichtung für Mikrofluid gemäß der vorliegenden Erfindung verbunden ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Wie oben erwähnt, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Ventile, die mit Vorrichtungen für Mikrofluid verbunden sind, und insbesondere auf Ventile, die integral verbunden sind mit Vorrichtungen für Mikrofluid, die an den Transport für flüssige Proben für analytische Zwecke angepasst sind. Obwohl viele spezielle Details bestimmter Ausführungsformen der Erfindung dargelegt sind in der folgenden detaillierten Beschreibung und in den beigefügten Figuren, werden jene Fachleute erkennen, dass die vorliegende Erfindung zusätzliche Ausführungsformen besitzen kann, oder dass die Erfindung ausgeführt werden kann ohne mehrere der hier beschriebenen Details.
  • In den verschiedenen Ausführungsformen, die unten dargelegt sind, sind die erfindungsgemäßen Ventile dieser Erfindung integral verbunden mit Vorrichtungen für den Transport von mikrofluiden Flüssigkeiten, zum Beispiel jene, die angepasst sind zur Verwendung mit „Biosensoren". Wie von jenen Fachleuten anerkannt wird, sind Biosensoren analytische Vorrichtungen zum Analysieren winzigster Mengen einer Probenlösung mit einem Analyten von Interesse, wobei der Analyt analysiert wird durch eine Detektionsvorrichtung, die eine Vielfalt von Detektionsverfahren einsetzten kann. Typischerweise umfassen derartige Verfahren, sind aber nicht beschränkt auf, Massendetektionsverfahren, wie piezoelektrische, optische, thermo-optische und auf akustische Oberflächenwellen (SAW) bezogene Vorrichtungs-Verfahren, und elektrochemische Verfahren, wie potentiometrische, konduktometrische, amperometrische und Kapazitätsverfahren. Im Hinblick auf optische Detektionsverfahren umfassen repräsentative Verfahren jene, die eine Massenoberflächenkonzentration detektieren, wie reflextions-optische Verfahren, einschließlich Verfahren der sowohl internen als auch externen Reflexion, winkel-, wellenlängen- oder phasenaufgelöst, zum Beispiel Ellipsometrie und Evanescent Wave Spectroscopy (EWS), wobei die letztere Oberflächenplasmonenresonanz-(SPR)-Spektroskopie umfasst. Brewster-Winkel-Refraktometrie, Refraktometrie des kritischen Winkels, Frustrated Total Reflection (FTR), Evanescent Wave Ellipsometry, Scattered Total Internal Reflection (STIR), optische Wellenleitersensoren, Evaneszenzwellen-basierende Bildgebung, wie Bildgebung des aufgelösten kritischen Winkels, Brewster-Winkel-aufgelöste Bildgebung, SPR-Winkel-aufgelöste Bildgebung, und dergleichen. Ferner können auch photometrische Verfahren, die zum Beispiel auf evaneszenter Fluoreszenz (TIRF) und Phosphoreszenz basieren, eingesetzt werden, wie auch Wellenleiterinterferometer. Ein beispielhafter Biosensor ist offenbart im US-Patent Nr. 5,313,264 (angemeldet für Biacore AB, Uppsala, Schweden).
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und wie am besten in 2–4 gesehen werden kann, umfasst ein Ventil, das integral verbunden ist mit einer Transportvorrichtung 200 für mikrofluide Flüssigkeit eine erste starre Schicht 210 mit im wesentlichen planaren und entgegengesetzten ersten und zweiten Oberflächen 212 bzw. 214, eine zweite starre Schicht 216 mit im wesentlichen planaren und entgegengesetzten dritten und vierten Oberflächen 218 bzw. 220. Wie in 4 gezeigt ist, ist die dritte Oberfläche 218 der zweiten starren Schicht 216 im wesentlichen koplanar und integral gebunden an die zweite Oberfläche 214 der ersten starren Schicht 210. Wie weiter in 4 gezeigt ist, umfasst das Ventil, das integral mit der Transportvorrichtung 200 für mikrofluide Flüssigkeit verbunden ist, weiter einen ersten Durchgang 222, der definiert ist durch eine Rille, die entlang der zweiten Oberfläche 214 der ersten starren Schicht 210 positioniert ist und begrenzt ist durch die dritte Oberfläche 218 der zweiten starren Schicht 216. Die Rille ist definiert durch zwei entgegengesetzte Wände und einen Boden. Eine Eigenschaft dieses ersten Durchgangs 222 ist, dass er daran angepasst ist, eine flüssige Probe durchfließen zu lassen.
  • Innerhalb des ersten Durchgangs 222 und integral verbunden mit der ersten starren Schicht 210 befindet sich ein Ventilsitz 224, der eine im wesentlichen planare Plateauoberfläche 226 aufweist. Die Plateauoberfläche 226 ist im wesentlichen planar zu und angeordnet zwischen den ersten und zweiten Oberflächen 212, 214. Wie in 4 gezeigt ist, steht der Ventilsitz aus dem Boden der Rille hervor. Eine flexible Membran 228 ist positioniert gegenüber dem Ventilsitz 224; die flexible Membran 228 ist integral verbunden mit einem oder mehreren ersten flexiblen Membrandurchgangslöchern 230 der zweiten starren Schicht 216. Eine Eigenschaft dieser flexiblen Membran 228 ist, dass sie eine Durchgangsoberfläche 232 besitzt, die entweder (i) im wesentlichen koplanar zur zweiten Oberfläche der ersten starren Schicht ist, wenn sich das Ventil in einer offenen Position befindet oder (ii) gewölbt ist, wobei ein zentraler Abschnitt davon im wesentlichen koplanar zur Plateauoberfläche 226 des Ventilsitzes 224 ist, wenn sich das Ventil in einer geschlossenen Position befindet.
  • In weiteren Ausführungsformen und auch wie gezeigt in 4 umfasst das Ventil, das integral verbunden mit der Transportvorrichtung 200 für Mikrofluid ist, eine Mehrzahl von ersten Durchgangslöchern 235, die derart positioniert sind, dass sie mit dem ersten Durchgang 222 in Verbindung stehen. In noch weiteren Ausführungsformen umfasst das Ventil, das integral mit der Transportvorrichtung 200 für Mikrofluid verbunden ist, eine dritte starre Schicht 236, die im wesentlichen planare und entgegengesetzte fünfte und sechste Oberflächen 238 bzw. 240 aufweist. Die fünfte Oberfläche 238 besitzt eine Mehrzahl von Rippen 242, die daraus hervorstehen, wobei die Mehrzahl von Rippen 242 einen zweiten Durchgang 244 definiert, der auch angepasst ist, um die flüssige Probe dort durchfließen zu lassen. Zusätzlich definiert die Mehrzahl der Rippen 242 auch eine obere Rippenoberfläche 246, die im wesentlichen koplanar ist und integral gebunden ist an die vierte Oberfläche 220 der zweiten starren Schicht 216. Die Form der oberen Rippenoberfläche kann variieren abhängig vom Verfahren, das für das Binden der starren Schichten aneinander verwendet wird, z. B. planar, gewölbt, spitz, etc.
  • Die dritte starre Schicht 236, ähnlich der zweiten starren Schicht 216, umfasst eine Mehrzahl von zweiten Durchgangslöchern 248, die derart positioniert sind, dass sie mit dem zweiten Durchgang 244 in Verbindung stehen. Wie in 4 gezeigt ist, umfasst die dritte starre Schicht 236 auch eines oder mehrere zweite flexible Membrandurchgangslöcher 250, die mit der flexiblen Membran 230 der zweiten starren Schicht 216 in Verbindung stehen. Die eine oder mehrere zweiten flexiblen Membrandurchgangslöcher 250 besitzen jeweils eine zusätzliche Menge der flexiblen Membran 228, die koextensiv um ihre entsprechende Wand angeordnet ist.
  • In noch weiteren Ausführungsformen umfasst das Ventil, das integral mit der Transportvorrichtung 200 für Mikrofluid verbunden ist, eine vierte starre Schicht 252, die im wesentlichen planare und entgegengesetzte siebte und achte Oberflächen 254 bzw. 256 aufweisen. Die siebte Oberfläche 254 besitzt eine Mehrzahl von zweiten Rippen 257, die daraus hervorstehen, wobei die Mehrzahl der zweiten Rippen 257 einen dritten Durchgang 258 definiert, der auch angepasst ist, um eine flüssige Probe durchfließen zu lassen. Zusätzlich definiert auch die Mehrzahl der zweiten Rippen 257 eine obere Rippenoberfläche 260, die im wesentlichen koplanar und integral verbunden ist mit der sechsten Oberfläche 240 der dritten starren Schicht 236. Die vierte starre Schicht 252, ähnlich zu den zweiten und dritten starren Schichten 216, 236 umfasst eine Mehrzahl von dritten Durchgangslöchern 262, die derart positioniert sind, dass sie mit dem ersten, zweiten und dritten Durchgang 222, 244, 258 in Verbindung stehen.
  • Die Komponententeile, die mit der Transportvorrichtung für Mikrofluid der vorliegenden Erfindung in Verbindung stehen, können bearbeitet und zusammengebaut werden wie dargelegt in den unten beschriebenen beispielhaften Herstellungstechniken, wobei die Komponententeile und ihre damit verbundenen Merkmale Abmessungen haben, wie unten in Tabelle 1 dargelegt. Tabelle 1
    REPRÄSENTATIVE ABMESSUNGEN DER KOMPONENTENTEILE
    Flusskanäle in Platte #4 0.3 × 0.2 mm
    Fließzelle in Platte #4 0.5 × 0.05 mm
    Steigleitungen 0.3 mm
    Entfernung vom Ventilsitz zur Membranoberfläche 0.05 mm
    Membranventil-Außendurchmesser 0.6 mm
    Membranventil-Innendurchmesser 0.5 mm
    Elastomerleitungen zwischen Platte #1 und #2 0.7 × 0.4 mm
    Druckleitungen zwischen Platte #2 und #3 0.7 × 0.4 mm
    Plattendicke 1–2 mm
    Rippenhöhe auf Platte #2 und #3 0.6 mm
  • Im Hinblick auf die beispielhaften Herstellungstechniken, wird auch Bezug genommen auf 5 und 6, wobei 5 eine isometrische Explosionsansicht mehrerer Platten (d. h. Platten 1–4) veranschaulicht, die eine Vorrichtung für Mikrofluid gemäß der vorliegende Erfindung bilden, und die zusammen gezeigt sind mit einer isometrischen Explosionsansicht einer zweiteiligen Form, die zum Injizieren/Gießen eines elastomeren Materials geeignet ist, das ein Ventil bildet, das integral mit der Vorrichtung für Mikrofluid verbunden ist, und wobei 6 eine vergrößerte Ansicht des Ventilsitzes ist, der in 5 gezeigt ist. Bezug wird auch genommen auf 7A–C bis 10A–C, wobei die Figuren vordere, seitliche und rückseitige Draufsichten der vier Platten sind (wobei die Platten die oben beschriebenen vier starren Schichten bilden).
  • Spezieller wird eine erste flache Kunststoffplatte (gezeigt als Platte #1 in 5 und in 7A–C, wobei Platte #1 mit der oben beschriebenen zweiten starren Schicht übereinstimmt) auf einer Seite mit Plasma bearbeitet, um so das Binden oder die Adhäsion einer später zugegebenen flexiblen Membran zu verbessern, wie beispielsweise eine flexible Membran, die aus einem Silikongummi oder einem thermoplastischen Elastomer (TPE) erzeugt ist. Im Allgemeinen ist die erste flache Kunststoffplatte bevorzugt erzeugt mit einem IR-absorbierenden Kunststoffmaterial, wie beispielsweise ein Polycarbonat, das mit Carbon Black gefärbt ist. So soll verstanden werden, dass der Begriff „flexibel", wie er innerhalb des Kontextes der vorliegenden Erfindung verwendet ist, breit insofern verstanden werden soll, dass er eine Membran bezeichnet, die biegsame oder elastomere Qualitäten besitzt. Auf ähnliche Weise bezeichnet der Begriff „starr", wie er innerhalb des Kontextes der vorliegenden Erfindung verwendet wird, eine Schicht, die relativ steif und unbiegsam ist.
  • Begleitend ist eine zweite flache Kunststoffplatte (gezeigt als Platte #2 in 5 und in 8A–C, wobei die Platte #2 mit der oben beschriebenen dritten starren Schicht übereinstimmt) mit im Allgemeinen demselben Lochmuster wie jenes der ersten flachen Kunststoffplatte, und mit einer Mehrzahl von hervorstehenden Rippen auf einer Seite, die eine planare obere Rippenoberfläche definiert, mit der ersten flachen Kunststoffplatte verbunden. D. h., dass die mit Plasma verarbeitet Seite der ersten Platte verbunden ist mit der planaren oberen Rippenoberfläche der zweiten Platte derart, dass die entsprechenden Lochmuster der jeweiligen Platte in im wesentlichen axialer Ausrichtung miteinander vorliegen. Im Allgemeinen ist die zweite flache Kunststoffplatte bevorzugt erzeugt mit einem nicht-IR-absorbierenden Kunststoffmaterial, wie beispielsweise ein Polycarbonat.
  • Die erste und zweite Kunststoffplatte können miteinander verbunden werden durch eine beliebige Anzahl von geeigneten Bindungstechniken, wie beispielsweise Kleben oder durch eine Ultraschall- oder Laserschweiß-Technik. Wie von jenen Fachleuten anerkannt wird, bietet Laserschweißen beträchtliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Verbindungstechnologien; es ist speziell gut geeignet zum Verbinden von Kunststoffmaterialien mit verschiedenen optischen Absorptionen bei der Laserwellenlänge. Das Laserlicht kann die transparente Komponente (z. B. Platte #1) durchdringen und wird dann absorbiert durch die nicht-transparente Komponente (z. B. Platte #2), wo es in Wärme umgewandelt wird. Die erste und zweite Kunststoffplatte schmelzen an der Grenzfläche und das Schweißen kann bewirkt werden durch äußeren Druck, der durch eine Werkzeughalterungs-Spannvorrichtung aufgebracht wird. Auf diese Weise kann eine geschweißte Einheit (auch oft bezeichnet als eine Membranplatte) einschließlich der ersten und zweiten flachen Kunststoffplatte (d. h. zweite bzw. dritte starre Schichten) gebildet werden.
  • Die gebildete geschweißte Einheit kann dann in einer Form angeordnet werden, die aus zwei Hälften besteht (gezeigt in 5 als Formhälfte A und Formhälfte B), um die Bildung einer inneren flexiblen Membran zu vereinfachen, die einen Teil des Ventils bildet. Spezieller kann die geschweißte Einheit angeordnet werden in der zweiteiligen Form, wobei die Formhälfte A eine glatte Formoberfläche besitzt und die Formhälfte B eine glatte Formoberfläche mit einem oder mehreren senkrecht hervorstehenden Zylindern besitzt, die angepasst sind, um konzentrisch innerhalb der flexiblen Membran durch Löcher zu passen, die mit der Platte #1 und der Platte #2 verbunden sind. Im Allgemeinen besitzen die hervorstehenden Zylinder flache obere Oberflächen, sind bevorzugt ungefähr 0,1 mm kürzer als die Dicke der geschweißten Einheit, und besitzen Durchmesser, die bevorzugt ungefähr 0,1 mm kleiner sind als die Durchmesser der flexiblen Membrandurchgangslöcher. Ein Silikongummi (bevorzugt mit einer ShoreA-Härte zwischen 24–29) oder ein thermoplastisches Elastomer (TPE) in flüssiger Form kann dann injiziert werden durch einen Trichter, der mit der Formhälfte B in Verbindung steht, um so über diesen die innere flexible Membran zu bilden. Wie von jenen Fachleuten anerkannt wird, ist das Gießen das Verfahren, durch das eine Flüssigkeit in eine Form gegossen wird und die man dann reagieren, verfestigen oder aushärten lässt, um ein festes Objekt in der Form der Formkavität zu bilden. Außerdem soll verstanden werden, dass geeignete thermoplastische Elastomere für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ein thermoplastisches Polyurethanelastomer (d. h. TPU), ein Polyolefin-basierendes thermoplastisches Elastomer (d. h. TPO), ein thermoplastisches Elastomer, das auf dynamisch vulkanisierten Elastomer-Thermoplasten-Mischungen (d. h. TPV) basiert, ein Styrolblock-Thermoplasten- Elastomer, ein thermoplastisches Polyetherester-Elastomer, ein thermoplastisches Elastomer, das auf halogen-enthaltenden Polyolefinen basiert, und ein thermoplastisches Elastomer, das auf Polyamiden basiert, wie auch verschieden Kombinationen und Mischungen davon umfassen.
  • Nach der Verfestigung des Silikongummis oder des geeigneten thermoplastischen Elastomers (TPE) kann die geschweißte Einheit dann aus der Form entfernt werden, und irgendwelche Grate, die vorhanden sind, können eliminiert werden. Eine dritte flache Kunststoffplatte mit einem Kanalmuster von Rippen, die zu jedem Membranventil führen (gezeigt als Platte #3 in 5 und in 9A–C, wobei die Platte mit der oben beschriebenen vierten starren Schicht übereinstimmt) kann dann zusammen verbunden werden mit der geschmolzenen Einheit, um einen Drei-Platten-Zusammenbau zu bilden, der als die Ventilplatte bezeichnet wird. Als nächstes kann dann eine vierte Kunststoffplatte mit einem Kanalmuster von Rillen mit Ventilsitzen (gezeigt als Platte #4 in 5 und in 10A–C, wobei die Platte mit der oben beschriebenen ersten starren Schicht übereinstimmt) mit der Ventilplatte verbunden werden, um das Ventil zu bilden, das integral verbunden ist mit der Transportstruktur für Mikrofluid gemäß der vorliegenden Erfindung, durch eine geeignete Bindungstechnik, wie beispielsweise Kleben oder durch eine Ultraschall- oder Laserschweiß-Technik.
  • Durch dieses beispielhafte Verfahren kann ein Ventil, das integral mit einer Transportstrukturvorrichtung für Mikrofluid verbunden ist, hergestellt werden, das viele der Nachteile, die mit Strukturen für Mikrofluid des Stands der Technik verbunden sind, überwindet. Insbesondere kann die Oberfläche der elastomeren Schicht, die in Kontakt mit der flüssigen Probe kommt, nun minimiert werden, wodurch nachteilige chemische Wechselwirkungen verringert werden, die auftreten können zwischen der flüssigen Probe und der elastomeren Schicht. Andere Vorteile umfassen einen stromlinienförmigeren Herstellungsprozess.
  • Während die Ventile, die integral mit den Transportvorrichtungen für Mikrofluid der vorliegenden Erfindung verbunden sind, und ihre repräsentativen Herstellungstechniken im Kontext der dargestellten und hier beschriebenen Ausführungsformen beschrieben worden sind, kann die Erfindung ausgeführt werden auf anderen speziellen Weisen oder auf andere spezielle Formen, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er durch die beigefügten Ansprüche angezeigt ist.
  • LITERATURSTELLEN, ZITIERT IN DER BESCHREIBUNG
  • Die Liste von Literaturstellen, die vom Anmelder zitiert sind, dienen nur zum Nutzen des Lesers. Sie bilden nicht Teil des europäischen Patendokumentes. Sogar obwohl große Sorgfalt aufgebracht wurde, die Literaturstellen zu erarbeiten, können Irrtümer oder Unterlassungen nicht ausgeschlossen werden und das EPA erkennt keinerlei Haftung in dieser Hinsicht an.
  • Patentdokumente, zitiert in der Beschreibung
  • Nicht-Patent-Literatur, zitiert in der Beschreibung
    • • JÖNSSON, U et al. Biotechniques. 1991, Band 11, 620–627 [0003]

Claims (19)

  1. Ventil, integral verbunden mit einer Transportvorrichtung für Mikrofluide, umfassend: eine erste starre Schicht (210) mit im wesentlichen planaren und entgegengesetzten ersten und zweiten Oberflächen (212, 214); eine zweite starre Schicht (216) mit im wesentlichen planaren und entgegengesetzten dritten und vierten Oberflächen (218, 220), wobei die dritte Oberfläche (218) der zweiten starren Schicht (216) im wesentlichen koplanar ist und integral gebunden ist an die zweite Oberfläche (214) der ersten starren Schicht (210); einem ersten Durchgang (222), definiert durch eine Rille, wobei die Rille sich entlang der zweiten Oberfläche (214) der ersten starren Schicht (210) befindet und durch die dritte Oberfläche (218) der zweiten starren Schicht (216) begrenzt ist, wobei der erste Durchgang (222) angepasst ist, um eine flüssige Probe durchfließen zu lassen; einen Ventilsitz (224) mit einer im wesentlichen planaren Plateauoberfläche (226), wobei der Ventilsitz (224) sich innerhalb des ersten Durchgangs (222) befindet und integral mit der ersten starren Schicht (210) derart verbunden ist, dass die Plateauoberfläche (226) im wesentlichen planar zu und angeordnet ist zwischen der ersten und zweiten Oberfläche (212, 214) der ersten starren Schicht (210); und eine flexible Membran (228) gegenüber dem Ventilsitz (224) und sich erstreckend über ein erstes Membrandurchgangsloch (230) der zweiten starren Schicht (216) von einer zusätzlichen Menge der Membran, die koextensiv um die Wand des Durchgangsloches angeordnet ist, wobei die flexible Membran (228) eine Durchgangsoberfläche (232) besitzt, die entweder (i) im wesentlichen koplanar zur zweiten Oberfläche (214) der ersten starren Schicht (210) ist, wenn sich das Ventil in einer offenen Position befindet, oder (ii) gewölbt ist, wobei eine zentraler Abschnitt davon im wesentlichen koplanar zur Plateauoberfläche (226) des Ventilsitzes (224) ist, wenn sich das Ventil in einer geschlossenen Position befindet.
  2. Ventil, integral verbunden mit der Transportvorrichtung für Mikrofluid nach Anspruch 1, wobei die Transportvorrichtung für Mikrofluid angepasst ist, um die flüssige Probe in einen Biosensor fließen zu lassen.
  3. Ventil, integral verbunden mit der Transportvorrichtung für Mikrofluid nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten und zweite starre Schicht (210, 216) jeweils erzeugt ist aus einem oder mehreren Kunststoffmaterialien.
  4. Ventil, integral verbunden mit der Transportvorrichtung für Mikrofluid nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die erste und zweite starre Schicht (210, 216) jeweils erzeugt ist aus demselben Kunststoffmaterial.
  5. Ventil, integral verbunden mit der Transportvorrichtung für Mikrofluid nach Anspruch 4, wobei das Kunststoffmaterial ein Polycarbonat ist.
  6. Ventil, integral verbunden mit der Transportvorrichtung für Mikrofluid nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste und zweite starre Schicht (210, 216) integral aneinander gebunden sind durch eine Laserschweißverbindung.
  7. Ventil, integral verbunden mit der Transportvorrichtung für Mikrofluid nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste und zweite starre Schicht (210, 216) eine kombinierte Dicke besitzen, die von ungefähr einem bis ungefähr zwei Millimeter reicht.
  8. Ventil, integral verbunden mit der Transportvorrichtung für Mikrofluid nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Rille (222) definiert ist durch zwei gegenüberliegende Seitenwände und einen Boden.
  9. Ventil, integral verbunden mit der Transportvorrichtung für Mikrofluid nach Anspruch 8, wobei der Ventilsitz (224) von dem Boden der Rille hervorsteht.
  10. Ventil, integral verbunden mit der Transportvorrichtung für Mikrofluid nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die flexible Membran (228) ein Silikongummi ist.
  11. Ventil, integral verbunden mit der Transportvorrichtung für Mikrofluid nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die flexible Membran (228) ein thermoplastisches Elastomer ist.
  12. Ventil, integral verbunden mit der Transportvorrichtung für Mikrofluid nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die zweite starre Schicht (216) eine Mehrzahl von ersten Durchgangslöchern (235) umfasst, die mit dem ersten Durchgang (222) in Verbindung stehen.
  13. Ventil, integral verbunden mit der Transportvorrichtung für Mikrofluid nach einem der Ansprüche 1 bis 12, weiter umfassend eine dritte starre Schicht (236) mit im wesentlichen planaren und entgegengesetzten fünften und sechsten Oberflächen (238, 240), wobei die fünfte Oberfläche (238) aufweist eine Mehrzahl von Rippen (242), die daraus hervorstehen, wobei die Mehrzahl von Rippen (242) einen zweiten Durchgang (244) definiert, der angepasst ist, um die flüssige Probe dort durchfließen zu lassen, und eine obere erste Rippenoberfläche (246), wobei die obere erste Rippenoberfläche (246) im wesentlichen koplanar ist und integral gebunden ist an die vierte Oberfläche (220) der zweiten starren Schicht (216).
  14. Ventil, integral verbunden mit der Transportvorrichtung für Mikrofluid nach Anspruch 13, wobei die dritte starre Schicht (236) eine Mehrzahl von zweiten Durchgangslöchern (248) umfasst, die mit dem ersten und dem zweiten Durchgang (222, 244) in Verbindung stehen.
  15. Ventil, integral verbunden mit der Transportvorrichtung für Mikrofluid nach Anspruch 14, wobei die dritte starre Schicht (236) ein zweites Membrandurchgangsloch (250) umfasst, das mit dem ersten Membrandurchgangsloch (230) der zweiten starren Schicht (216) in Verbindung steht, wobei mindestens ein zweites Membrandurchgangsloch (250) eine zusätzliche Menge der flexiblen Membran (228) besitzt, wobei die zusätzliche Menge der flexiblen Membran (228) koextensiv angeordnet ist um die Wände des/der einen oder mehreren zweiten Durchgangslöcher (250).
  16. Ventil, integral verbunden mit der Transportvorrichtung für Mikrofluid nach Anspruch 13, 14 oder 15, weiter umfassend eine vierte starre Schicht (252), mit im wesentlichen planaren und entgegengesetzten siebten und achten Oberflächen (254, 256), wobei die siebte Oberfläche aufweist eine Mehrzahl von zweiten Rippen (257), die daraus hervorstehen, wobei die Mehrzahl der zweiten Rippen (257) einen dritten Durchgang (258) definiert, der angepasst ist, um die flüssige Probe dort durchfließen zu lassen, und eine obere zweite Rippenoberfläche (260), wobei die obere zweite Rippenoberfläche (260) im wesentlichen koplanar und integral gebunden ist an die sechste Oberfläche (240) der dritten starren Schicht (236).
  17. Ventil, integral verbunden mit der Transportvorrichtung für Mikrofluid nach Anspruch 16, wobei die vierte starre Schicht (252) eine Mehrzahl von dritten Durchgangslöchern (262) umfasst, die mit dem ersten, zweiten und dritten Durchgang (222, 244, 258) in Verbindung stehen.
  18. Verfahren zum Herstellen einer Ventils, integral verbunden mit einer Transportvorrichtung für Mikrofluid, wobei das Verfahren umfasst: Integrales Binden einer ersten starren Schicht (210) mit im wesentlichen planaren und entgegengesetzten ersten und zweiten Oberflächen (212, 214) an eine zweite starre Schicht (216) mit im wesentlichen planaren und entgegengesetzten dritten und vierten Oberflächen (218, 220) derart, dass die dritte Oberfläche (218) der zweiten starren Schicht (216) mit der zweiten Oberfläche (214) der ersten starren Schicht (210) in Kontakt steht, und derart, dass ein erster Durchgang (222) gebildet wird, wobei der erste Durchgang (222) definiert ist durch eine Rille, die entlang der zweiten Oberfläche (214) der ersten starren Schicht (210) verläuft und begrenzt ist von der dritten Oberfläche (218) der zweiten starren Schicht (216) und wobei der erste Durchgang (222) angepasst ist, um eine flüssige Probe dort hindurch fließen zu lassen, wobei der erste Durchgang (222) einen Ventilsitz (224) umfasst, der eine im wesentlichen planare Plateauoberfläche (226) besitzt, wobei der Ventilsitz (224) integral verbunden ist mit der ersten starren Schicht (210) derart, dass die Plateauoberfläche (226) im wesentlichen planar zu und angeordnet ist zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche (212, 214) der ersten starren Schicht (210); und Gießen einer flexiblen Membran (228) in ein erstes Membrandurchgangsloch (230) der zweiten starren Schicht (216) derart, dass die flexible Membran (228) eine Durchgangsoberfläche (232) besitzt, die angepasst ist, um entweder (i) im wesentlich koplanar zur zweiten Oberfläche (214) der ersten starren Schicht (210) zu sein, wenn das Ventil sich in einer offenen Position befindet, oder (ii) gewölbt ist, wobei ein zentraler Abschnitt davon im wesentlichen koplanar zur Plateauoberfläche (226) des Ventilsitzes (224) ist, wenn sich das Ventil in einer geschlossenen Position befindet.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Schritt des integralen Bindens umfasst Laserschweißen der dritten Oberfläche (218) der zweiten starren Schicht (216) an die zweite Oberfläche (214) der ersten starren Schicht (210).
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