DE602004004612T2

DE602004004612T2 - Bauteil eines mikrofluidischen Ventils

Info

Publication number: DE602004004612T2
Application number: DE200460004612
Authority: DE
Inventors: Martin Bäuerle; Friedhelm Koch
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2004-05-22
Filing date: 2004-05-22
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2024-05-23
Also published as: US20060260700A1; CN1700018B; EP1520837B1; EP1520837A1; ATE353313T1; DE602004004612D1; CN1700018A; US7143787B1

Description

ZUGRUNDE LIEGENDE TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine mikrofluidische Labortechnik zur chemischen, physikalischen und/oder biologischen Analyse, Trennung oder Synthese von Substanzen auf einem Substrat mit Hilfe einer mikrofluidischen Struktur. Die Erfindung betrifft insbesondere Ventile von mikrofluidischen Anordnungen und ganz besonders Komponenten von Ventilen zur Flusssteuerung von Flüssigkeitsproben zu analytischen Zwecken.
Der Bedarf an Verarbeitungssystemen für biologische Flüssigkeiten, die kleine Flüssigkeitsventile benötigen, nimmt zu. Solche miniaturisierten mikrofluidischen Einheiten müssen einer Vielfalt von Anforderungen genügen, zum Beispiel geringes Totvolumen und kurze Strömungspfade bei möglichst konstantem Querschnitt. Dies führt im Allgemeinen zu verbesserten Leistungsparametern. Einen befriedigenden technischen Ansatz, zum Beispiel im Vergleich zur Verwendung von Ventilen mit Gewindeverbindungen, besteht in der Verwendung von mikrofluidischen Chips, die mit drehbaren Ventilelementen verbunden sind, um den Fluss der im Chip durchgeführten mikrofluidischen Prozesse zu steuern. Eine Lösung zur Verringerung von Totvolumina wird zum Beispiel in der US-Patentanmeldung 2003/0 015 682 A1 beschrieben. Aufgrund der riesigen Anzahl der zu analysierenden Proben und Komponenten sind die Anstrengungen der Techniker in gleichem Maße auch auf die Verkürzung der Analysezeit gerichtet. Diese Anstrengungen haben zu parallelen und zeitsparenden Prozessen, die zum Beispiel in den Patentanmeldungen EP 1 162 464 A1 oder WO 01/84 143 A1 gezeigt werden, aber auch zu einer höheren Komplexität der Systeme und der durchgeführten Prozesse und demzufolge auch zu höherem Steuerungsaufwand geführt. Insbesondere stellen Verbindungselemente und die Flusssteuerung ein wichtiges Ergebnis der neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der Mikrofluidtechnik dar, das zum Beispiel in EP 0 310 4413.4 (noch nicht veröffentlicht) gezeigt wird. Die zunehmende Komplexität der durch die mikrofluidischen Einheiten durchgeführten Prozesse führt leider im Allgemeinen auch zu einer größeren Anzahl von Verbindungen, die realisiert und geschaltet werden müssen und/oder deren Fluss gesteuert werden muss. HPLC-Ventile werden in der US-Patentschrift A-5 616 300 beschrieben. Mikrofluidische Ventile sind aus US-Patentanmeldungen 2003/0 015 682 und 2003/0 116 206 bekannt, wobei die Merkmale der letzteren Patentanmeldung die Präambel von Anspruch 1 bilden.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Steuerung, insbesondere eine verbesserte Flussteuerung, von mikrofluidischen Einheiten bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch den Hauptanspruch gelöst. Bevorzugte Ausführungsarten werden durch die Unteransprüche dargestellt.
Die genannten Aufgaben werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Komponente eines mikrofluidischen Ventils gelöst, das mit einer mikrofluidischen Einheit verbunden werden kann. Die Komponente umfasst ein erstes drehbares Ventilelement mit einer ersten Kontaktfläche zur mikrofluidischen Einheit. Die mikrofluidische Einheit weist mindestens einen Anschluss auf. Die Komponente ist durch ein zweites Ventilelement mit einer zweiten Kontaktfläche zur mikrofluidischen Einheit gekennzeichnet. Das zweite drehbare Ventilelement befindet sich in einem Durchgangsloch oder einer Aussparung des ersten drehbaren Ventilelements. Unter einem Durchgangsloch ist im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung jede Art von Loch, Bohrung oder Öffnung mit beliebiger Form zu verstehen. Die Ausführungsarten können ein oder mehrere der folgenden Merkmale beinhalten. Die Flusssteuerung des Anschlusses der mikrofluidischen Einheit kann durch die Kontaktfläche erfolgen. Eine durch den Anschluss fließende Flüssigkeit kann gegen den Strömungspfad der mikrofluidischen Einheit abgedichtet oder mit ihm verbunden werden. Jedes Ventilelement kann den Fluss eines oder mehrerer Anschlüsse der mikrofluidischen Einheit steuern. Um zum Beispiel einen durch das erste drehbare Ventilelement flussgesteuerten Anschluss mit einem zweiten durch das zweite drehbare Ventilelement flussgesteuerten Anschluss zu verbinden, braucht ein Strömungspfad nur eine Strecke zu überbrücken, die kürzer als der Durchmesser des ersten drehbaren Ventilelements ist. Dadurch können mikrofluidische Einheiten mit höher integrierten mikrofluidischen Strukturen hergestellt werden, die ein minimales Totvolumen und folglich verbesserte Leistungsparameter aufweisen.
Gemäß Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung sind die Ventilelemente koaxial drehbar. Anschlüsse, deren Fluss durch die Ventilelemente gesteuert werden soll, können auf der mikrofluidischen Einheit in zwei konzentrischen Kreisen angeordnet werden. Ein äußerer Kreis kann dem ersten drehbaren Ventilelement und ein innerer Kreis dem zweiten drehbaren Ventilelement zugeordnet sein.
Ausführungsarten können auch ein oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen. Vorzugsweise ist das Durchgangsloch ein zylindrisches Loch. Das zweite drehbare Ventilelement weist eine zumindest teilweise zylindrische Form auf und ist mit einer Spielpassung im ersten drehbaren Ventilelement untergebracht. Die Spielpassung lässt sich leicht herstellen und verhält sich wie ein Lager für das zweite drehbare Ventilelement. Das zweite drehbare Ventilelement kann deshalb wie eine Welle geformt sein. Vorzugsweise weist das erste drehbare Ventilelement zumindest teilweise die Form eines Hohlzylinders auf. Hohlzylinder lassen sich, zum Beispiel durch Drehen oder Bohren, leicht herstellen.
Ausführungsarten können auch ein oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen. Mindestens eines der Ventilelemente weist eine Kupplung, insbesondere einen Absatz, zur Verbindung mit einem Stellglied auf. Dadurch lassen sich die Ventilelemente leicht justieren. Vorzugsweise sind die Ventilelemente so beschaffen, dass sie durch koaxiale Drehung einzeln oder gemeinsam in jede Drehrichtung betätigt werden können. Von Vorteil ist, dass eine Vielfalt von Einstellungen der Ventilelemente möglich ist. Das zweite drehbare Ventilelement weist mittig ein Sackloch oder eine Durchgangsbohrung auf. Die Durchgangsbohrung kann mit einem anderen Strömungspfad verbunden werden. Die Kontaktflächen sind so beschaffen, dass sie mit dem Anschluss der mikrofluidischen Einheit zusammenwirken, um den Durchfluss zu steuern und/oder den Anschluss abzudichten. Zu diesem Zweck weisen die Ventilkontaktflächen zumindest eine Flüssigkeitsleitungseinrichtung auf, zum Beispiel eine Nut. Die Nut wird vorzugsweise in eine im Wesentlichen ebene Kontaktfläche der Ventilelemente geritzt, geschliffen oder anderweitig gebildet. Die ebene Fläche kann zum Abdichten des Anschlusses gegen eine Fläche der mikrofluidischen Einheit gedrückt werden.
Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Steuerung einer Flüssigkeit mit einem Mehrwege-Schaltventil. Die Anordnung weist eine mikrofluidische Einheit, insbesondere einen mikrofluidischen Chip, auf. Zur Flusssteuerung des Anschlusses kann das Ventil mit der mikrofluidischen Einheit zusammenwirken. Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil durch die mikrofluidische Einheit und eine Komponente einer beliebigen oben beschriebenen Art realisiert wird. Ausführungsarten können ein oder mehrere der folgenden Merkmal beinhalten. Der Anschluss ist mit einem Strömungspfad der mikrofluidischen Einheit verbunden. Die Komponente weist mindestens zwei Ventilelemente auf. Zur Steuerung des Durchflusses durch den Anschluss kann die ebene Fläche der Ventilelemente gegen eine Fläche der mikrofluidischen Einheit in der Nähe des Anschlusses gedrückt werden. Durch das Ventil kann eine Vielzahl von Anschlüssen abgedichtet, geschaltet oder verbunden werden, um komplexe mikrofluidische Prozesse zu ermöglichen, die mit der Einheit ausgeführt werden sollen.
Ausführungsarten können auch ein oder mehrere der folgenden Merkmale beinhalten. Die Kontaktflächen mit den Flüssigkeitsleitungseinrichtungen, die Ventilelemente und die mikrofluidische Einheit bilden das Ventil. Als mikrofluidische Einheit kann ein Wegwerfteil dienen, zum Beispiel ein billig herstellbarer mikrofluidischer Chip aus Kunststoff. Die Ventilelemente, deren Abmessungen sehr genau stimmen müssen, können gegen viele verschiedene Chips oder, genauer gesagt, gegen die Oberfläche der Chips gedrückt werden, um eine Verbindung an den Anschlüssen der Chips herzustellen. Vorzugsweise ist die mikrofluidische Einheit zum Analysieren und/oder zum Trennen von Komponenten einer Flüssigkeit, insbesondere durch einen Nachweisbereich innerhalb oder in der Nähe des mikrofluidischen Strömungspfades, eingerichtet. Dieser Prozess lässt durch das Ventil der Baugruppe einfach steuern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere Aufgaben und viele der mit den Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung verbundenen Vorteile werden durch den Bezug auf die folgende ausführlichere Beschreibung bevorzugter Ausführungsarten in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen klarer und verständlicher. Merkmale, die im Wesentlichen oder funktionell gleich oder ähnlich sind, werden durch dieselben Bezugsnummern bezeichnet.
1 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer Komponenten eines mikrofluidischen Ventils;
2 zeigt eine Draufsicht auf eine Kontaktfläche einer anderen Komponente eines mikrofluidischen Ventils;
3 zeigt eine schematische Darstellung eines mikrofluidischen Chips mit mikrofluidischen Strukturen, insbesondere Strömungspfade und Vereinigungssäulen;
4A und 4B zeigen detaillierte Ansichten des mikrofluidischen Chips von 3 zusammen mit einer angedeuteten Komponente eines mikrofluidischen Ventils in zwei verschiedenen Stellungen;
5A, 5B und 5C zeigen verschiedene Querschnittsansichten der Einheit von 3 entlang der Schnittlinien A-A, B-B und C-C von 3; und
6 zeigt eine schematische dreidimensionale Ansicht einer anderen Komponente mit einer teilweise dreidimensionalen Darstellung des mikrofluidischen Chips von 3.
1 zeigt eine Komponente 101 eines mikrofluidischen Ventils mit einem ersten drehbaren Ventilelement 103 und einem zweiten drehbaren Ventilelement 105. Die Ventilelemente 103 und 105 weisen eine erste Kontaktfläche 107 und eine zweite Kontaktfläche 109 auf, die mit einer (nicht gezeigten) mikrofluidischen Einheit verbunden werden können.
Das zweite drehbare Ventilelement 105 ist bei dieser Ausführungsart in einem zylindrischen Loch 111 des ersten drehbaren Ventilelements 103 untergebracht. Vorzugsweise kann das erste drehbare Ventilelement 103 anstelle des zylindrischen Loches 111 ein beliebiges Durchgangsloch aufweisen. Bei einer anderen Ausführungsart sind das Durchgangsloch und demzufolge auch das zweite drehbare Ventilelement 105 kegelförmig.
Demzufolge kann das zweite drehbare Ventilelement 105 mindestens teilweise die Form eines Kegels aufweisen, der in das kegelförmige Durchgangsloch des ersten drehbaren Ventilelements 103 passt.
Das zweite drehbare Ventilelement 105 weist in dieser Ausführungsart mindestens teilweise eine zylindrische Form oder die Form einer Welle auf. Das zweite drehbare Ventilelement 105 und das zylindrische Loch 111 des ersten drehbaren Ventilelements 103 bilden zusammen eine Spielpassung 113. Die Spielpassung 113 hat die Funktion eines Lagers für das zweite drehbare Ventilelement 105.
Die Kontaktflächen 107 und 109 weisen jeweils eine im Wesentlichen ebene Kontaktfläche 115 bzw. 117 auf. Die Fläche 115 des ersten drehbaren Ventilelements 103 weist eine erste Flüssigkeitsleitungseinrichtung 119 und diese wiederum eine erste Nut 121 auf. Die Fläche 117 des zweiten drehbaren Ventilelements 105 weist drei weitere Flüssigkeitsleitungseinrichtungen 123 und diese wiederum drei weitere Nuten 125 auf. Die Nuten 121 und 125 sind in Sektoren von etwa 60° auf konzentrischen Kreisen um die Drehachse des ersten drehbaren Ventilelements 103 und des zweiten drehbaren Ventilelements 105 herum angeordnet. Die Elemente 103 und 105 können um ihre Mittelachse koaxial gedreht werden. Die Flächen 115 und 117 stehen jeweils senkrecht zur Mittelachse der Elemente 103 und 105.
Das erste drehbare Ventilelement 103 weist einen Körper 127 mit einem Durchmesser auf, der größer als der Durchmesser der ersten Kontaktfläche 107 ist. Das erste drehbare Ventilelement 103 weist teilweise die Form eines Hohlzylinders 129 mit einer zylindrischen Fläche 131 auf. Der Durchmesser des Zylinders 129 vergrößert sich auf einer umlaufenden Stufe 133 des ersten drehbaren Ventilelements 103. Der Körper weist auch die Form eines Hohlzylinders mit einer zylindrischen Fläche 135 auf, dessen Wand jedoch dicker als der Hohlzylinder 129 ist. Der Körper 127 des ersten drehbaren Ventilelements 103 erleichtert die Handhabung und das Verbinden der Komponente 101.
Der Körper 127 des ersten drehbaren Ventilelements 103 und des zweiten drehbaren Ventilelements 105 weist eine Kupplung 137 zum Verbinden mit einem (nicht gezeigten) Stellglied auf. Die Kupplung weist bei dieser Ausführungsart eine Stufe 139 des Körpers 127 des ersten drehbaren Ventilelements 103 auf. Die Stufe 139 kann mit einem entsprechenden Ansatz oder Vorsprung des Stellglied gekoppelt werden. Das Stellglied kann ein Drehmoment zum Drehen des ersten drehbaren Ventilelements 103 in mindestens einer Drehrichtung liefern, die durch einen Pfeil 141 dargestellt ist. Das erste drehbare Ventilelement 103 kann eine zweite Stufe zum Drehen des ersten drehbaren Ventilelements 103 in der entgegengesetzten Drehrichtung aufweisen. Das zweite drehbare Ventilelement 105 kann in Ausführungsarten entsprechende in Drehung zu versetzende Einrichtungen aufweisen. Die Kupplung 137 kann beliebige andere Einrichtungen zum Verbinden aufweisen, zum Beispiel Nuten, Rillen, Gewinde oder Ähnliches. Die Elemente 103 und 105 können synchron oder asynchron in nur einer oder in einer beliebigen Drehrichtung gedreht werden. Zum Beispiel kann das zweite drehbare Ventilelement 105 jeweils um 60° von einer ersten Stellung zu einer zweiten Stellung und zurück gedreht werden, da die Nuten in der Fläche 117 des zweiten drehbaren Ventilelements 105 jeweils rotationssymmetrisch angeordnet sind. Dieselbe Stellung wird folglich durch eine Drehung der Nuten um 120° erreicht.
2 zeigt eine Draufsicht auf eine andere Komponente 143, die der Komponente 101 eines mikrofluidischen Ventils ähnlich ist. Deshalb werden nur die Unterschieden zwischen beiden beschrieben.
Das zweite drehbare Ventilelement 105 der Komponente 143 weist zwei zusätzliche Flüssigkeitsleitungseinrichtungen 145 mit den Nuten 147 auf. Die Nuten 147 sind kreisförmig. Die Nuten 147 und 121 sind rotationssymmetrisch auf Kreisen mit unterschiedlichen Durchmessern um 180° versetzt in die Fläche 115 des zweiten drehbaren Ventilelements 105 eingearbeitet. Dieselbe Stellung wird folglich durch eine Drehung der Nuten um 180° erreicht.
Anschlüsse der mikrofluidischen Einheit können in drei verschiedenen Kreisen angeordnet werden. Bei den in einem ersten Kreis angeordneten Anschlüssen kann die Flusssteuerung durch die Nuten 125 des zweiten Ventilelements 105, bei den Anschlüssen in einem zweiten Kreis durch die Nuten 147 des ersten Ventilelements 103 und bei den Anschlüssen in einem dritten Kreis durch die Nuten 121 des ersten Ventilelements 103 erfolgen. Dadurch können hochintegrierte und komplexe fluidische Schaltungen mit vielen zu steuernden Verbindungen realisiert werden.
Das zweite drehbare Ventilelement 105 der Komponente 143 weist ein mittiges Sackloch 151 auf, um Verschleiß und undefinierte Bedingungen der Fläche 117 sowie Leckagen zu vermeiden.
Die Länge der Nuten 125 des zweiten drehbaren Ventilelements 105 ist gleich der Länge der Nuten 121 des ersten drehbaren Ventilelements 103. Aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser der Ventilelemente 103 und 105 können diese zum Einstellen der Nuten 121 und 125 um unterschiedliche Winkel gedreht werden. Dadurch können Anschlüsse für die Nut 121 des ersten drehbaren Ventilelements 103 relativ dicht nebeneinander angeordnet werden. Dies führt auf vorteilhafte Weise zu kurzen Strömungspfaden und kleinen Totvolumina. Der Drehwinkel zur Einstellung der Nuten 121 und 125 der Ventilelemente 103 und 105 kann jeweils einzeln an die Länge der Nuten 121 und 125 angepasst werden, indem die Ventilelemente 103 und 105 unabhängig voneinander gedreht werden.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines mikrofluidischen Chips 210 mit mikrofluidischen Strukturen, insbesondere mit Strömungspfaden und Analysesäulen, die Teil einer mikrofluidischen Baugruppe 202 zur Steuerung einer Flüssigkeit mittels eines Mehrwege-Schaltventils 204 sind.
Der mikrofluidische Chip 201 kann ein beliebiges Material aufweisen oder daraus bestehen, vorzugsweise ein flexibles Material, zum Beispiel Kunststoff oder ein beliebiges Polymermaterial. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsart weist der mikrofluidische Chip 201 Polyimid auf.
4A und 4B zeigen detaillierte Ansichten des mikrofluidischen Chips 201 von 3 zusammen mit einer Komponente 203 des mikrofluidischen Ventils 204 in zwei verschiedenen Stellungen. Die Komponente 203 weist ein erstes Ventilelement 207 und ein zweites Ventilelement 205 auf, die durch gestrichelte Linien dargestellt sind und zusammen mit dem mikrofluidischen Chip 201 das Mehrwege-Schaltventil 204 bilden. Die Elemente 205 und 207 sind so beschaffen, dass sie einen oder mehrere Anschlüsse – bei der vorliegenden Ausführungsart die 12 Anschlüsse 209 bis 231 – des mikrofluidischen Chips 201 abdichten und/oder anschließen.
Die 3, 4A und 4B zeigen hochintegrierte und parallel ablaufende Prozesse, die mittels der Baugruppe 202 zur Steuerung einer Flüssigkeit mittels eines Mehrwege-Schaltventils 204 ausgeführt werden können.
5A, 5B und 5C zeigen verschiedene Querschnittsansichten der Einheit von 3 entlang den Schnittlinien A-A, B-B und C-C von 3.
6 zeigt eine schematische dreidimensionale Ansicht der Komponente 203 und teilweise eine dreidimensionale Darstellung des mikrofluidischen Chips 201 der 3 bis 5.
Die Elemente 205 und 207 weisen im Wesentlichen eine zylindrische Form auf, wobei das erste Ventilelement 207 im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders aufweist. Das zweite Ventilelement 205 ist innerhalb der Öffnung des Hohlzylinders des ersten Ventilelements 207 angeordnet. Die konzentrischen Elemente 205 und 207 sind so beschaffen, dass sie einzeln gedreht werden können. Jedes der Elemente 205 und 207 weist eine Kontaktfläche auf mit einer im Wesentlichen ebenen Fläche 232 mit mindestens einer Flüssigkeitsleitungseinrichtung, zum Beispiel einer Nut 233 bis 241, um die Strömung durch die Anschlüsse des mikrofluidischen Chips 201 zu steuern. Jede Kontaktfläche weist mindestens eine der – durch gestrichelte Linien in den 4A und 4B dargestellten – Nuten 233 bis 241 auf, um die Anschlüsse 209 bis 231 des mikrofluidischen Chips 201 zu verbinden und/oder die Strömung innerhalb der Anschlüsse zu steuern. Der mikrofluidische Chip 201 weist eine Fläche 242 zum Verbinden mit den im Wesentlichen ebenen Kontaktflächen 232 der Kontaktflächen der Ventilelemente in der Nähe des Anschlusses auf.
Die Elemente 205 und 207 können durch Drehen um ihre zylindrische Mittelachse eingestellt werden. Die Anschlüsse 209 bis 231 des mikrofluidischen Chips 201 sind bei dieser Ausführungsart auf Kreisen bzw. auf den Eckpunkten eines gleichseitigen Sechsecks – Anschlüsse 213 bis 223 – angeordnet.
Der mikrofluidische Chip 201 weist eine erste Vereinigungssäule 243, eine zweite Vereinigungssäule 245, eine Spritzdüse 247 und einen mit der Spritzdüse 247 verbundenen Strömungspfad 249 auf. Der Strömungspfad 249 weist eine Verzweigung 251 auf, die mit einem ersten Analyseanschluss 209 und einem zweiten Analyseanschluss 211 verbunden ist.
Im Folgenden werden die Ausführung des mikrofluidischen Chips 201 und die mittels des mikrofluidischen Chips 201 auszuführenden Prozesse unter Bezug auf die 3 bis 6 beschrieben.
Der mikrofluidische Chip 201 weist drei Schichten auf, eine obere Schicht 253, eine mittlere Schicht 255 und eine untere Schicht 257.
Die obere Schicht 253 weist die Vereinigungssäulen 243 und 245 auf. Die mittlere Schicht 255 weist den Strömungspfad 249 mit der Verzweigung 251 gemäß 5B auf. Die untere Schicht 257 weist zwei Strömungspfade 259 und 261 auf, die jeweils mit einer Eingangsöffnung 213 bzw. 215 und einer Ausgangsöffnung 217 bzw. 219 des mikrofluidischen Chips 201 verbunden sind. Die Eingangsöffnungen 213 und 215 sind Doppelanschlüsse, die jeweils zwei Öffnungen an der Oberseite und an der Unterseite des mikrofluidischen Chips 201 aufweisen. Die beiden Öffnungen sind durch die mittlere Schicht 255 des mikrofluidischen Chips 201 voneinander getrennt. Die Ausgangsöffnungen 217 und 219 befinden sich auf der Oberseite des mikrofluidischen Chips 201 und können durch Löcher in der mittleren Schicht 255 und der oberen Schicht 253 des mikrofluidischen Chips 201 erzeugt werden.
Die Eingangsöffnungen 213 und 215 können an der Unterseite des mikrofluidischen Chips 201 mit zwei Nanopumpen verbunden werden. Eine einströmende Flüssigkeit kann von der Unterseite des mikrofluidischen Chips 201 durch die Strömungspfade 259 und 261 in der unteren Schicht des mikrofluidischen Chips 201 zu den Ausgangsöffnungen 217 und 219 auf der Oberseite des mikrofluidischen Chips 201 strömen.
Der Strömungspfad 249 ist in der mittleren Schicht 255 untergebracht. Die erste Vereinigungssäule 243 und die zweite Vereinigungssäule 245 sind in der oberen Schicht 253 untergebracht. Die erste Vereinigungssäule 243 und die zweite Vereinigungssäule 245 kreuzen die Verzweigung 251 des Strömungspfades 249. Dies ist möglich, weil die mittlere Schicht 255 die beiden Strömungspfade voneinander trennt.
Im Folgenden werden beispielhaft die Strömungspfade in einer ersten Stellung der Elemente 205 und 207 unter Bezug auf 4A beschrieben. In der Figur durch gestrichelte Linien verbundene Anschlüsse sind in dieser ersten Stellung durch die Nuten 233 bis 241 miteinander verbunden.
Die erste Vereinigungssäule 243 kann am Eingang über einen Probeneinlass 221 über eine Nut 233 des zweiten Ventilelements 205 und den Einlass 213 mit einer (nicht gezeigten) mikrofluidischen Probenzufuhreinrichtung verbunden werden. Der Probeneinlass 221 kann durch ein durch alle Schichten 253, 255 und 257 des mikrofluidischen Chips 201 führendes Loch erzeugt werden. Der Probeneinlass 221 kann an der Unterseite des mikrofluidischen Chips 201 mit der Probenzufuhreinrichtung verbunden werden. Die erste Vereinigungssäule 243 kann am Ausgang über eine erste Säulenöffnung 225, über eine zweite Außennut 235 des ersten Ventilelements 207, über eine erste Ablauföffnung 229, über einen Ablaufströmungspfad 263 und eine Ablauföffnung 223 an der Unterseite des mikrofluidischen Chips 201 mit einem Abfallbehälter verbunden werden. Der Ablaufströmungspfad 263 ist in der mittleren Schicht 255 des mikrofluidischen Chips 201 untergebracht und mit der Ablauföffnung 223 verbunden. Der Abfallbehälter kann an der Unterseite des mikrofluidischen Chips 201 bzw. mit der Ablauföffnung 223 verbunden werden. Die Ablauföffnung 223 kann durch ein durch alle Schichten 253, 255 und 257 des mikrofluidischen Chips 201 führendes Loch erzeugt werden.
Der oben beschriebene Strömungspfad kann zum Einspritzen einer Probe in die erste Vereinigungssäule 243 genutzt werden.
Die zweite Vereinigungssäule 245 kann an der Eingangsseite über eine zweite Einlassöffnung 215 an der Oberseite des mikrofluidischen Chips 201, über eine Innennut 239 des zweiten Ventilelements 205, über die zweite Auslassöffnung 219, über den Strömungspfad 261 und über die zweite Einlassöffnung 215 an der Unterseite des mikrofluidischen Chips 201 zum Beispiel mit einer Nanopumpe verbunden werden. Die zweite Vereinigungssäule 245 kann an der Ausgangsseite über eine zweite Säulenöffnung 227, eine zweite Außennut 237 des ersten Ventilelements 207, über einen zweiten Analyseanschluss 211, über die Verzweigung des Strömungspfades 249, über den Strömungspfad 249 und über die Spritzdüse 247 des mikrofluidischen Chips 201 mit einer (nicht gezeigten) Laborapparatur verbunden werden.
Die sich aus der Einstellung der Ventilelemente 205 und 207 gemäß 4B ergebenden Strömungspfade und Prozesse verlaufen in umgekehrter Richtung.
Der oben beschriebene Strömungspfad kann mit einer in der Technik bekannten Vereinigungssäule zum Analysieren einer Flüssigkeit verwendet werden.
Der mikrofluidische Chip 201 ist zur parallelen Ausführung von zwei Prozessen geeignet.
Die Elemente 205 und 207 können so gestaltet werden, dass sie mit mehr oder weniger als sechs Anschlüssen zusammenwirken. Der Aufbau des mikrofluidischen Chips 201 kann zum Beispiel so verändert werden, dass dieser mit einem Mehrwege-Schaltventil mit sechs Anschlüssen und mit einem Mehrwege-Schaltventil mit zehn Anschlüssen zusammenwirken kann.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsart kann der mikrofluidische Chip einen Nachweisbereich 269, zum Beispiel einen optischen Nachweisbereich, aufweisen, um die Flüssigkeit innerhalb des mikrofluidischen Chips 201, zum Beispiel innerhalb des Strömungspfades 249, zu analysieren.
Bei einer anderen Ausführungsart weist das zweite Ventilelement anstelle des oder zusätzlich zu dem mittigen Sackloch 151 eine durch unterbrochene Linien dargestellte Durchgangsbohrung 271 und der mikrofluidische Chip 201 einen mittleren Anschluss 273 auf. Der Anschluss 273 kann abwechselnd oder gleichzeitig durch die Durchgangsbohrung 271 mit Flüssigkeit versorgt oder mit einem Abfallbehälter verbunden werden, um andere mikrofluidische Schaltungen zu realisieren.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsart weist der mikrofluidische Chip 201 mindestens ein Loch 275 zum Ausrichten des mikrofluidischen Chips 201, insbesondere der Öffnungen des mikrofluidischen Chips 201, auf die Komponente 203 auf. In 3 weist der mikrofluidische Chip 201 zwei Löcher 275 auf. Der mikrofluidische Chip 201 kann zur Ausrichtung des mikrofluidischen Chips 201 mit zwei durch die Löcher 275 führenden (nicht gezeigten) Stiften ausgestattet werden. Die Komponente 203 kann frei drehbar sein, jedoch wird sie in einer konstanten Position bezüglich der Stifte fixiert.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsart ist das zweite drehbare Ventilelement nicht an dem oben beschriebenen Durchgangsloch, sondern innerhalb und/oder in der Nähe einer Aussparung des ersten drehbaren Ventilelements angebracht. Das erste drehbare Ventilelement kann zum Beispiel die Form eines halben Hohlzylinders aufweisen. Bei diesem Beispiel stellt die halbrunde Innenseite des halben Hohlzylinders die Aussparung dar. Die Aussparung kann auch eine beliebige andere Form haben.
Schließlich weist die Komponente bei bevorzugten Ausführungsarten mehr als zwei Ventilelemente auf, die frei gegeneinander gedreht werden können. Darüber hinaus kann die mikrofluidische Baugruppe mehr als ein Ventil aufweisen, das eine Komponente 203 aufweist.

Claims

Komponententeil (101, 143, 203) eines mikrofluidischen Ventils (204), das zum Verbinden mit einem mikrofluidischen Gerät geeignet ist, wobei die mikrofluidische Einheit über mindestens einen mit einem Strömungspfad (249, 259, 261, 263) der mikrofluidischen Einheit verbundenen Anschluss (209, 211, 213, 215, 217, 219, 221, 223, 225, 227, 229, 231) verfügt und das Komponententeil (101, 143, 203) Folgendes aufweist: Ein erstes drehbares Ventilelement (103, 207) mit einer ersten Kontaktfläche (107) zur mikrofluidischen Einheit, und ein zweites drehbares Ventilelement (105, 205) mit einer zweiten Kontaktfläche (109) zur mikrofluidischen Einheit und das sich innerhalb eines Durchgangslochs oder einer Aussparung des ersten drehbaren Ventilelements (103, 207) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Kontaktfläche (107, 109) so beschaffen sind, dass sie mit dem Anschluss der mikrofluidischen Einheit interagieren.
Komponententeil nach dem obigen Anspruch, bei dem mindestens eines der Ventilelemente (105, 205, 103, 207) mindestens eines der folgenden Merkmale aufweist: – eine Kupplung (137), insbesondere eine Kupplungsstufe, (139) zum Kuppeln mit einem Stellglied, – ein Mittenloch (151), – eine Durchgangsbohrung (271), – mindestens eine Flüssigkeitsleitungseinrichtung (119, 123, 145), die insbesondere in die Kontaktflächen (107, 109) der Ventilelemente (105, 205, 103, 207) eingefügt ist, – mindestens eine Nut (121, 125, 147, 233, 235, 237, 239, 241), die insbesondere Teil der Flüssigkeitsleitungseinrichtung (119, 123, 145) ist, – mindestens eine im Wesentlichen ebene Kontaktfläche (115, 117), die insbesondere Teil der Kontaktflächen (107, 109) der Ventilelemente (105, 205, 103, 207) ist.
Komponententeil nach Anspruch 1 oder einem beliebigen der obigen Ansprüche, bei dem das Durchgangsloch ein zylindrisches Loch (111) ist und das zweite drehbare Ventilelement (105, 205) zumindest teilweise eine zylindrische Form aufweist und sich mit einer Spielpassung innerhalb des ersten drehbaren Ventilelements (103, 207) befindet, wobei insbesondere das erste drehbare Ventilelement (103, 207) zumindest teilweise die Form eines Hohlzylinders aufweist.
Komponententeil nach Anspruch 1 oder einem beliebigen der obigen Ansprüche, bei dem die Ventilelemente (105, 205, 103, 207) koaxial gedreht werden können und insbesondere so beschaffen sind, dass sie durch ein Stellglied einzeln oder gemeinsam in jeder Drehrichtung durch koaxiale Drehung betätigt werden können.
Komponententeil nach Anspruch 1 oder einem beliebigen der obigen Ansprüche, bei dem die erste und die zweite Kontaktfläche (107, 109) so beschaffen sind, dass sie mit 12 Anschlüssen (209, 211, 213, 215, 217, 219, 221, 223, 225, 227, 229, 231) der mikrofluidischen Einheit interagieren.
Anordnung zum Dosieren einer Flüssigkeit mit einem Mehrwegschaltventil (204), wobei die Anordnung eine mikrofluidisches Einheit, insbesondere einen mikrofluidischen Chip (201), aufweist und die mikrofluidische Einheit so beschaffen ist, dass sie mit dem Ventil (204) interagiert und mindestens einen Anschluss (209, 211, 213, 215, 217, 219, 221, 223, 225, 227, 229, 231) aufweist, wobei die durch den Anschluss (209, 211, 213, 215, 217, 219, 221, 223, 225, 227, 229, 231) fließende Strömung durch das Ventil (204), insbesondere durch Abdichten, Schalten oder Verbinden, gesteuert wird, wobei die mikrofluidische Einheit mindestens einen mit dem Anschluss (209, 211, 213, 215, 217, 219, 221, 223, 225, 227, 229, 231) verbundenen mikrofluidischen Strömungspfad (249, 259, 261, 263) aufweist und das Ventil (204) durch die mikrofluidische Einheit und ein Komponententeil (101, 143, 203) nach einem der obigen Ansprüche realisiert wird.
Anordnung nach Anspruch 6, bei dem das Ventil durch die Kontaktflächen (107, 109), durch die Flüssigkeitleitungseinrichtungen (119, 123, 145) der Kontaktflächen (107, 109) der Ventilelemente (105, 205, 103, 207) und die mikrofluidische Einheit realisiert wird.
Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die mikrofluidische Einheit eine Oberfläche (242) zum Verbinden mit den im Wesentlichen ebenen Kontaktflächen (115, 117, 232) der Kontaktflächen (107, 109) der Ventilelemente (105, 205, 103, 207) am Anschluss (209, 211, 213, 215, 217, 219, 221, 223, 225, 227, 229, 231) aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die mikrofluidische Einheit zum Analysieren und/oder Trennen von Komponenten in einer Flüssigkeit, insbesondere durch einen Detektorbereich (269) innerhalb oder nahe dem mikrofluidischen Strömungspfad (249), eingerichtet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem eine erste Vereinigungssäule (243) und eine zweite Vereinigungssäule (245) den Strömungspfad (249), insbesondere eine Verzweigung (251) des Strömungspfades (249), kreuzen.