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Gebiet der
Erfindung
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Die
gegenwärtige
Erfindung betrifft Mikrofluidik-Vorrichtungen
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 und das Anwenden von derartigen Mikrofluidik-Vorrichtungen
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 2, insbesondere zum Kombinieren diskreter Fluidvolumen
in Mikrofluidik-Vorrichtungen, was beispielsweise beim Durchführen einer
chemischer und biologischer Synthese nützlich sein kann.
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Hintergrund
der Erfindung
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Es
gab für
das Erwerben von chemischer und biologischer Information ein wachsendes
Interesse in der Herstellung und dem Anwenden von Mikrofluidik-Systemen.
Insbesondere können,
wenn in Mikrofluidik-Volumen durchgeführt, komplizierte biochemische
Reaktionen unter Anwendung sehr kleiner Flüssigkeits-Volumen vorgenommen
werden. Unter anderen Vorteilen steigern Mikrofluidik-Systeme die
Antwortzeit von Reaktionen, minimieren das Probenvolumen und vermindern
den Reagenzverbrauch. Wenn flüchtige
oder gefährliche
Materialien verwendet oder erzeugt werden, steigert das Durchführen von
Reaktionen in Mikrofluidik-Volumen auch die Sicherheit und reduziert
die Entsorgungsmengen.
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Traditionellerweise
wurden Mikrofluidik-Vorrichtungen auf eine ebene Weise unter Anwendung von
Techniken konstruiert, welche von der silizium-herstellenden Industrie
ausgeliehen sind. Repräsentative
Systeme sind beispielsweise in einigen frühen Werken von Manz et al.
(Trends in Anal. Chem. (1990) 10(5): 144–149; Advances in Chromatography
(1993) 33: 1–66) beschrieben.
In diesen Veröffentlichungen
werden die Mikrofluidik-Vorrichtungen durch Anwendung von Fotolithographie
zum Definieren von Kanälen
auf Silizium- oder
Glassubstraten und durch Anwenden von Ätztechniken konstruiert zum
Beseitigen von Material aus dem Substrat zum Ausbilden der Kanäle. Eine
Abdeckplatte wird zum Bereitstellen eines Verschlusses auf den Oberteil
der Vorrichtung geklebt. Miniaturpumpen und Ventile können auch
so konstruiert sein, dass sie (zum Beispiel innerhalb) derartiger
Vorrichtungen einstückig ausgebildet
sind. Alternativ sind separate oder Offline-Pumpsysteme vorstellbar.
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Vor
kurzem wurde eine Anzahl von Verfahren entwickelt, welche ermöglichen,
Mikrofluidik-Vorrichtungen aus Kunststoff, Silizium oder anderen
Polymermaterialien zu konstruieren. In einem derartigen Verfahren
wird zuerst eine negative Gießform
konstruiert und Kunststoff oder Silizium wird dann in die Gießform hinein
oder über
dieselbe gegossen. Die Gießform
kann unter Anwendung eines Silizium-Wafers (siehe zum Beispiel Duffy
et al., Analytical Chemistry (1998) 70: 4974–4984; McCormick et al., Analytical
Chemistry (1997) 69: 2626–2630)
oder durch Ausbilden eines traditionellen Spritzgießhohlraums für Kunststoffvorrichtungen
konstruiert werden. In einigen Gießform-Einrichtungen sind Techniken
zum Konstruieren extrem kleiner Gießformen entwickelt worden.
Die unter Anwendung einer LIGA-Technik konstruierten Bauteile sind
im Karlsruher Forschungszentrum in Deutschland (siehe zum Beispiel Schomburg
et al., Journal of Micromechanical Microengineering (1994) 4: 186–191) entwickelt
worden und von MicroParts (Dortmund, Deutschland) kommerzialisiert
worden. Jenoptik (Jena, Deutschland) verwendet auch die LIGA- und
eine Heißprägetechnik.
Einprägeverfahren
in PMMA sind auch demonstriert worden (siehe Martynova et al., Analytical
Chemistry (1997) 69: 4783–4789).
Jedoch führen
diese Techniken an sich nicht zu einem Rapid-Prototyping und einer
hohen Herstellungs-Flexibilität.
Zusätzlich lehren
die vorhergehenden Referenzen nur das Vorbereiten von ebenen Mikrofluidik-Strukturen.
Außerdem
sind die Ausrüstungskosten
für beide
Techniken ziemlich hoch und können
ein unerschwinglicher Aufwand sein.
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Wenn
mit Fluiden in konventionellen Makrofluidik-Volumen gearbeitet wird,
sind Aufgaben wie beispielsweise das Dosieren diskreter Fluidvolumen und
das Kombinieren dieser Volumen relativ einfach. In Mikrofluidik-Volumen
sind jedoch derartige Anwendungen erheblich schwieriger. Die meisten,
wenn nicht alle, Mikrofluidik-Systeme benötigen eine Schnittstelle zu
der konventionellen Makrofluidik-Welt. Unter Anwendung konventioneller
Techniken ist das kleinste Fluidvolumen, welches erzeugt werden
kann, ein Tropfen, welcher typischerweise ein Volumen im Bereich
zwischen 1–100
Mikrolitern aufweist. An dem unteren Ende dieses volumetrischen
Bereichs ist es extrem schwer, beständig Tropfen zu erzeugen, welche
angemessen niedrige volumetrische Standardabweichung aufweisen.
Anwendungen, in welchen eine Fluidik-Messgenauigkeit wichtig ist,
weisen eine kombinatorisch chemische und mikrofluidik Synthese auf.
In beiden Anwendungen wäre
es wünschenswert,
zuverlässig
diskrete Fluid-Volumen wiederholbar zu kombinieren. Beispielsweise
wäre es
wünschenswert,
stöchiometrische
Mikrofluidik-Volumen von Reagenzien und Lösungen bereitzustellen, wenn
die Synthese durchgeführt
wird, und es wäre
wünschenswert,
genaue Mengen von Proben und von Verdünnungsmitteln bereitzustellen,
wenn eine serienmäßige Verdünnung durchgeführt wird.
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Ein
bekanntes Verfahren zum Kombinieren von Fluiden ist, Fluid-Tropfen
aus Pipetten-Enden in eine Mikrotiter-Platte hinein zu verteilen.
Jedoch ist die Anwendung von solch einem Verfahren aus mehreren
Gründen
beschränkt.
Als erstes ist, da eine konventionelle Mikrotiter-Platte zur Atmosphäre hin offen
ist, das Fluid-Verdunsten, wobei eine Verteilung folgt, ein inhärentes Problem
und solch eine Verteilung muss in einer ultrareinen Umgebung stattfinden, um
eine unerwünschte
Kontamination zu vermeiden. Ferner werden grenzflächenaktive
Stoffe oftmals im Zusammenhang mit Pipetten-Enden verwendet, um die
Genauigkeit des Verteilens von kleinen Volumen zu erhöhen. Diese
grenzflächenaktiven
Stoffe können
die Reinheit der zu dosierenden Fluide nachteilig beeinträchtigen
und es kann sehr herausfordernd sein, die grenzflächenaktiven
Stoffe zu beseitigen und die Fluide von Interesse für eine andere
Anwendung zu reinigen. Zusätzlich
kann es, nachdem die Fluide von Interesse in einer Lochplatte kombiniert werden,
falls ein weiteres Verarbeiten gewünscht wird, lästig sein,
die Fluide zu extrahieren und woanders hin zu transferieren.
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Andere
Mikrofluidik-Vorrichtungen sind bekannt.
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U.S.
Patent 5,932,799 von Moles ("der
Moles-Verweis")
lehrt beispielsweise eine Mikrofluidik-Vorrichtung, wie in dem Oberbegriff
von Anspruch 1 erwähnt,
aber offenbart ein Analysemodul, welches ein Membranventil aufweist,
welches wahlweise blockiert wird oder welches einem Fluid erlaubt,
zwischen einem gemeinsamen Einlasskanal (der Fluide aus mehreren
Zuführkanälen aufnimmt)
und einem Ausgangskanal zu kommunizieren, welcher zu einem Sensorkanal
zum Detektieren der Eigenschaften des Fluids führt, bevor es aus dem Analysemodul
ausgestoßen
wird. Moles versäumt,
irgendeine Struktur zu lehren, welche unabhängige Zuführkanäle aufweist, welche ermöglicht,
dass diskrete Volumen von unterschiedlichen Fluiden in einer Mikrofluidik-Kammer kombinierbar
sind.
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Demgemäß gibt es
einen Bedarf für
verbesserte Systeme und Verfahren zum Kombinieren diskreter, mikro-verkleinerter
Fluidvolumen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist ein Ziel der Erfindung, die Mikrofluidik-Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 zu verbessern und das Anwenden der Mikrofluidik-Vorrichtung
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 2 zu verbessern, um mindestens zwei unterschiedliche
Fluide aus unabhängigen
Zuführkanälen aufzunehmen
und diskrete Volumen von denselben in einer Mikrofluidik-Kammer
zu kombinieren. Dies wird mittels der Merkmale im kennzeichnenden Teil
der Ansprüche
1 und 2 erzielt. Vorteilhafte, andere Ausführungsformen sind in den unabhängigen Ansprüchen 3–27 beansprucht.
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In
einem ersten, separaten Aspekt der Erfindung weist eine Mehrschicht-Mikrofluidik-Vorrichtung zum
Kombinieren diskreter Volumen von mindestens zwei Fluiden eine Mikrofluidik-Kammer,
einen ersten Mikrofluidik-Kanal, welcher zum Zuführen eines ersten Fluids zu
der Mikrofluidik-Kammer eingerichtet ist, einen zweiten Mikrofluidik-Kanal,
welcher zum Zuführen
eines zweiten Fluids zu der Mikrofluidik-Kammer eingerichtet ist,
und eine Membran auf, welche eine Fläche der Mikrofluidik-Kammer verklebt.
Die Membran ist eingerichtet, die Passage des ersten Fluids aus
der ersten Mikrofluidik-Kammer in die zweite Mikrofluidik-Kammer
hinein zu verhindern und die Passage des zweiten Fluids aus dem
zweiten Mikrofluidik-Kanal in die zweite Mikrofluidik-Kammer hinein
zu verhindern.
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In
einigen Ausführungsformen
ist der erste Mikrofluidik-Kanal ein erster Mikrofluidik-Abzweigungskanal
und ist der zweite Mikrofluidik-Kanal ein zweiter Mikrofluidik-Abzweigungskanal.
Der Mikrofluidik-Stammkanal, welcher einen ersten Einlass und einen
ersten Auslass aufweist, steht in Fluid-Kommunikation mit dem ersten
Mikrofluidik-Abzweigungskanal. Der zweite Mikrofluidik-Stammkanal,
welcher einen zweiten Einlass und einen zweiten Auslass hat, steht
in Fluid-Kommunikation mit dem zweiten Mikrofluidik-Abzweigungskanal.
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In
einigen Ausführungsformen
kann die Kammer aufgeteilt oder unterteilt sein. In einigen Ausführungsformen
blockiert die Membran wahlweise die Passage des Fluid's aus einem Mikrofluidik-Kanal
in die Mikrofluidik-Kammer hinein. In bestimmten Ausführungsformen
ist die Membran deformierbar. In anderen Ausführungsformen ist die Membran
porös.
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Einige
Ausführungsformen
weisen einen Bruchbereich auf, welcher die Mikrofluidik-Kammer wahlweise
in mehrere Unterkammern teilt. Der Bruchbereich kann gekerbt, geschlitzt
oder eine brechbare Versiegelung aufweisen. Eine brechbare Versiegelung
kann durch mechanische, chemische oder elektromagnetische Verfahren
geschwächt
werden.
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In
bestimmten Ausführungsformen
sind die Schichten der Vorrichtungen aus Matritzen-Schichten, Polymer-Materialien,
im Wesentlich optisch-durchgängigen
Materialien und/oder Klebebändern
konstruiert.
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In
einem anderen separaten Aspekt der Erfindung kann jeder der vorhergehenden
Aspekte für zusätzliche
Vorteile kombiniert werden. Diese und andere Aspekte und Vorteile
der Erfindung werden dem geschulten Fachmann nach der Durchsicht
der folgenden detaillierten Beschreibung, den Zeichnungen und den
Ansprüchen
ersichtlich.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1A ist
eine Draufsicht auf eine Mikrofluidik-Vorrichtung, welche imstande ist, diskrete
Mengen von zwei Fluiden in Unterkammern, welche in verschiedenen
Schichten angeordnet sind, zu dosieren und dann den Inhalt der Unterkammern
zu kombinieren, um eine Fluidik-Kombination zu erzielen. 1B ist
eine vergrößerte Draufsicht
auf den Zentralabschnitt der Vorrichtung von 1A. 1C ist eine
Querschnittsansicht eines Abschnitts der Vorrichtung von 1A entlang
der Schnittlinie "A"-"A", welche
in 1B gezeigt ist.
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2A ist
eine perspektivische Explosionsansicht einer fünfschichtigen Fluidik-Vorrichtung, welche
imstande ist, diskrete Mengen von bis zu vier Fluiden zu kombinieren,
um bis zu vier Fluidik-Kombinationen zu erzielen. 2B ist
eine Draufsicht auf die zusammengebaute Vorrichtung aus 2A.
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3A ist
eine Draufsicht auf eine dreischichtige Fluidik-Vorrichtung, welche imstande ist, diskrete
Mengen von zwei Fluiden in Unterkammern zu dosieren, welche in derselben
Schicht angeordnet sind, und dann die Inhalte der Unterkammern zu kombinieren,
um eine Fluidik-Kombination zu erzielen. 3B ist
eine Draufsicht auf die Vorrichtung von 3A, welche
die Schnittlinie "B"-"B" darstellt. 3C ist
eine Schnittansicht eines Abschnitts der Vorrichtung von 3A–3B entlang
der Schnittlinie "B"-"B". 3D ist
eine Draufsicht auf die Vorrichtung von 3A–3B,
wobei ein Laserglüh-Schritt
folgt, um die Zentralkammer in zwei Unterkammern zu teilen. 3E ist
eine Draufsicht auf die Vorrichtung von 3D, welche
die Schnittlinie "C"-"C" darstellt. 3F ist
eine Querschnittansicht eines Abschnitts der Vorrichtung von 3E entlang der
Schnittlinie "C"-"C".
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4A ist
eine Draufsicht auf eine fünfschichtige
Fluidik-Vorrichtung,
welche zum Dosieren diskreter Mengen von zwei Fluiden in Unterkammern,
welche in derselben Schicht angeordnet sind, und zum Kombinieren
der Inhalte der Unterkammern imstande ist, um eine Fluid-Kombination
zu erzielen. 4B ist eine Draufsicht auf die
Vorrichtung von 4A, welche die Schnittlinie "D"-"D" darstellt. 4C ist
eine Schnittansicht eines Abschnitts der Vorrichtung von 4A–4B entlang
der Schnittlinie "D"-"D", wobei die Vorrichtung
eine nicht unterteilte Kammer hat. 4D stellt
die gleiche Ansicht wie 4C bereit,
außer
dass die Vorrichtungskammer unterteilt ist, in dem ein Abschnitt
der unteren deformierbaren Schicht abgelenkt ist, um eine Klebefläche in einer
zentralen Vorrichtungsschicht zu kontaktieren.
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5A ist
eine Draufsicht auf eine achtschichtige Mikrofluidik-Vorrichtung,
welche imstande ist, diskrete Mengen von zwei Fluiden zu kombinieren,
wobei die Vorrichtung eine deformierbare Membran aufweist, welche
den Zutritt der Fluide in eine Zentralkammer steuert. 5B ist
eine Draufsicht auf die Vorrichtung von 5A, welche
die Schnittlinie "E"-"E" darstellt. 5C ist
eine Querschnittsansicht eines Abschnitts der Vorrichtung von 5A–5B entlang
der Schnittlinie "E"-"E",
wobei die deformierbare Membran in einer Ausstreck-Position ist,
um den Zutritt von zwei Fluiden in eine Zentralkammer zu verhindern. 5D stellt
die gleiche Ansicht wie 5C bereit,
außer
dass die deformierbare Membran in einer Einzieh-Position ist, um den beiden Fluiden
das Betreten der Zentralkammer zu ermöglichen.
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6A ist
eine Querschnittsansicht von mindestens einem Abschnitt einer sechsschichtigen
Mikrofluidik-Vorrichtung, welche imstande ist, diskrete Mengen von
zwei Fluiden zu kombinieren, wobei die Vorrichtung eine deformierbare
Membran aufweist, welche in einer Ausstreck-Position dargestellt
ist, um den Zutritt der Fluide in eine Zentralkammer zu verhindern. 6B stellt
dieselbe Ansicht wie 6A dar, außer dass die deformierbare
Membran in einer Einzieh-Position
ist, um den beiden Fluiden das Betreten der Zentralkammer zu ermöglichen.
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7A ist
eine Querschnittsansicht von mindestens einem Abschnitt einer achtschichtigen
Mikrofluidik-Vorrichtung, welche imstande ist, diskrete Mengen von
zwei Fluiden zu kombinieren, wobei die Vorrichtung eine flexible
Membran aufweist, welche in mehreren Bereichen zur Deformierung
imstande ist. 7B–7G stellen
Schnittansichten der Vorrichtung aus 7A in
verschiedenen Betätigungs-Zuständen bereit
zum Kombinieren diskreter Mengen von zwei Fluiden.
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8A ist
eine Draufsicht auf eine achtschichtige Mikrofluidik-Vorrichtung,
welche einstückig
ausgebildete, poröse
Membranen aufweist, wobei die Vorrichtung imstande ist, diskrete
Mengen von zwei Fluiden zu kombinieren. 8B ist
eine Querschnittsansicht eines Abschnitts der Vorrichtung von 8A entlang
der Schnittlinie "F"-"F".
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9A ist
eine Draufsicht auf eine mehrschichtige Mikrofluidik-Vorrichtung,
welche imstande ist, dosierte Mengen von zwei Fluiden zu kombinieren,
um vier diskrete Kombinationen zu erzielen. 9B ist
eine Draufsicht auf einen Abschnitt der Vorrichtung aus 9A,
welche die Schnittlinie "G"-"G" darstellt. 9C ist
eine Querschnittsansicht eines Abschnitts der Vorrichtung aus 9A entlang der
Schnittlinie "G"-"G".
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10A ist eine perspektivische Explosionsansicht
einer dreizehnschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung, welche imstande
ist, diskrete Mengen von drei unterschiedlichen Proben und drei
unterschiedlichen Reagenzien zu kombinieren, um neun diskrete Kombinationen
zu erzielen. 10B ist eine Draufsicht der
zusammengebauten Vorrichtung aus 10A. 10C ist eine vergrößerte Draufsicht auf einen
Abschnitt der Vorrichtung aus 10A–10B.
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11A ist eine perspektivische Explosionsansicht
einer fünfschichtigen
Mikrofluidik-Vorrichtung, welche acht Fluid-Eingänge
entlang einer Achse und sechzehn Fluid-Eingänge entlang einer anderen Achse
aufweist, wobei es die Vorrichtung erlaubt, dass diskreten Mengen
von Fluiden in vielen Kombinationen kombinierbar sind. 11B ist eine Draufsicht auf die zusammengebaute
Vorrichtung aus 11A.
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12 ist
eine Seitenansicht einer deformierbaren Membran, welche einen ferromagnetischen
oder paramagnetischen Materialbereich hat.
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13A ist eine Seitenschnittansicht eines Abschnitts
einer Mikrofluidik-Vorrichtung, welche in der Nähe eines magnetischen Stellglieds
positioniert ist, wobei die Vorrichtung eine mehrschichtige, deformierbare
Membran mit einem einstückig
ausgebildeten ferromagnetischen oder paramagnetischen Bereich hat
und die Membran in der Einziehposition ist. 13B stellt
die gleiche Ansicht wie 13A bereit,
außer
dass die mehrschichtige, deformierbare Membran in einer Ausstreck-Position
ist, um den Fluid-Fluss durch einen Abschnitt der Vorrichtung zu
blockieren.
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14 ist
ein Ablaufdiagramm, welches die Schritte zum Durchführen eines
ersten Verfahrens zum Kombinieren diskreter Volumen von einem ersten
Fluid und einem zweiten Fluid in einer Mikrofluidik-Vorrichtung
skizziert.
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15 ist
ein Flussdiagramm, welche die Schritte zum Durchführen eines
zweiten Verfahrens zum Kombinieren diskreter Volumen von einem ersten
Fluid und von einem zweiten Fluid in einer Mikrofluidik-Vorrichtung
skizziert.
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Detaillierte
Beschreibung
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Definition
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Der
Begriff "Kanal" oder "Kammer", wie hierin verwendet
ist im weitesten Sinne, zu interpretieren. Daher sind solche Begriffe
nicht vorgesehen, dass sie auf längliche Konfigurationen
beschränkt
werden, wo die Quer- oder Längsabmessung
den Durchmesser oder die Querschnittsabmessung beträchtlich übersteigt.
Eher sind solche Begriffe so gemeint, dass sie Hohlräume oder
Tunnel von jeder gewünschten
Gestalt oder Konfiguration umfassen, durch welche Liquide geführt werden
können.
Solch ein Fluid-Hohlraum kann beispielsweise eine Durchflusszelle
aufweisen, wo ein Fluid fortwährend
hindurch passiert oder alternativ eine Kammer zum Beibehalten einer
bestimmten diskreten Fluid-Menge für eine bestimmte Zeitmenge. "Kanäle" oder "Kammern" können befüllt sein
oder können
Innen-Strukturen enthalten, welche beispielsweise Ventile, Filter und ähnliche
oder äquivalente
Bauteile und Materialien aufweisen.
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Der
wie hierin verwendete Begriff "flexibel" bedeutet, fähig eine
Belastung zu widerstehen, insbesondere durch gebogen werden, gefaltet
werden oder gedehnt werden, ohne zu brechen oder unter einer permanenten
Verletzung zu leiden. "Flexibel", wie hierin verwendet,
kann oder kann nicht die weiteren Eigenschaften federnd oder elastisch
aufweisen.
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Der
wie hierin verwendete Begriff "Mikrofluidik" bezieht sich auf
Strukturen oder Vorrichtungen, welche geeignet sind, dass ein oder
mehrere Fluide hindurchpassierbar oder hindurchführbar sind, und welche mindestens
eine Abmessung kleiner als ungefähr
500 Mikrometer haben.
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Der
wie hierin verwendete Begriff "im
Wesentlichen versiegelt" bezieht
sich auf eine Mikrostruktur, welche eine ausreichend niedrige nicht
vorgesehene Leckagerate und/oder ein Volumen bei einem gegebenen
Durchfluss, bei einer gegebenen Fluid-Eigenart und bei gegebenen
Druckbedingungen hat. Eine im Wesentlichen versiegelte Vorrichtung
kann eine oder mehrere Einlassöffnungen und/oder
Auslassöffnungen
aufweisen.
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Der
wie hierin verwendete Begriff "selbstklebendes
Band" bezieht sich
auf eine Materialschicht oder einen Film, welcher eine einstückig ausgebildete
Klebstoffbeschichtung auf einer oder auf beiden Seiten aufweist.
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Der
wie hierin verwendete Begriff "Matrize" bezieht sich auf
eine Materialschicht oder Lage, welche vorzugsweise im Wesentlichen
eben ist, aus welcher eine oder mehrere verschieden gestaltete und orientierte
Abschnitte herausgeschnitten oder auf andere Art und Weise aus der
gesamten Dicke der Schicht beseitigt worden sind, und welche eine
wesentliche Fluid-Bewegung innerhalb der Schicht (z. B. in der Form
von Kanälen
oder Kammern, im Gegensatz zu einfachen Durchgangslöchern, zum Übertragen
von Fluid durch eine Schicht zu einer anderen Schicht) ermöglicht.
Die Außenlinien
des Schnitts oder der auf andere Art und Weise beseitigten Abschnitte
bilden die Seitengrenzen von Mikrostrukturen, welche ausgebildet
werden, wenn eine Matrix zwischen anderen Schichten wie beispielsweise
Substraten oder anderen Matrizen sandwichartig eingelegt ist.
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Der
wie hierin verwendete Begriff "Synthese" bezieht sich auf
eine molekulare Umordnung, Anlagerung oder Subtraktion von Molekülarten,
was im Allgemeinen entweder eine chemische oder biologische Umbildung
umfasst. Biologische Umbildungen weisen bioanalytische Verfahren
für das
Detektieren und für
das Quantifizieren von Molekülarten
von Interesse auf, welche hierin auch als Bio-Untersuchungen oder
Untersuchungen bezeichnet werden.
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Mikrofluidik-Vorrichtungen
im Allgemeinen
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
sind Mikrofluidik-Vorrichtungen gemäß der Erfindung unter Anwendung
von Matrizen-Schichten oder Lagen zum Definieren von Kanälen und/oder Kammern
konstruiert. Wie vorherig angemerkt ist eine Matrizen-Schicht vorzugsweise
im Wesentlichen eben und weist einen Kanal oder eine Kammer auf,
welche durch die gesamte Dicke der Schicht geschnitten ist, um eine
wesentliche Fluid-Bewegung innerhalb der Matrizen-Schicht zu ermöglichen.
Verschiedene Mittel können
zum Definieren derartiger Kanäle
oder Kammern in Matrizen-Schichten
verwendet werden. Beispielsweise kann ein computergesteuerter Plotter,
welcher zum Aufnehmen einer Schneidklinge modifiziert ist, verwendet
werden, verschiedene Muster aus einer Materialschicht heraus zu
schneiden. Solch eine Klinge kann entweder zum Herausschneiden von
Abschnitten, welche von der Matrizen-Schicht abgelöst und beseitigt
werden, oder zum Ausbilden von Schlitzen verwendet werden, welche
Bereiche in der Matrizen-Schicht separieren, ohne dass irgendein
Material beseitigt wird. Alternativ kann zum Ausschneiden von Abschnitten
aus einer Materialschicht heraus ein computergesteuerter Laserschneider
verwendet werden. Während
das Laserschneiden zum Erzielen von präzise dimensionierten Mikrostrukturen
verwendet werden kann, hat das Verwenden eines Lasers zum Schneiden
einer Matrizen-Schicht
inhärent
das Beseitigen von etwas Material zur Folge. Weitere Beispiele von
Verfahren, welche zum Ausbilden von Matrizen-Schichten angewendet
werden können,
weisen konventionelle Stempel- oder Ausstanztechniken auf, welche
Drehschneider und eine andere mit hohem Durchsatz versehene selbstausrichtende
Einrichtung (manchmal als Konverter bezeichnet) aufweisen. Die oben
erwähnten
Verfahren zum Durchschneiden einer Matrizen-Schicht oder -Lage,
ermöglichen,
dass, im Vergleich zu konventionellen Oberflächen-Mikrobearbeitungs- oder
Materialablagerungs-Techniken,
welche zum Produzieren von Mikrofluidik-Vorrichtungen konventionell angewendet
werden, robuste Vorrichtungen schnell und unaufwendig herstellbar
sind.
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Nachdem
ein Abschnitt einer Matrizen-Schicht beschnitten oder beseitigt
worden ist, bilden die Außenlinien
des Schnitts oder die der auf andere Art und Weise beseitigten Abschnitte
die Seitengrenzen von Mikrostrukturen, welche nach dem sandwichartigen
Zusammenlegen einer Matrize zwischen Substraten und/oder anderen
Matrizen fertiggestellt sind. Die Dicke oder Höhe der Mikrostrukturen, wie
beispielsweise von Kanälen
oder von Kammern, kann durch Ändern
der Dicke der Matrizen-Schicht oder durch Verwenden mehrerer im
Wesentlichen identischer Matrizen-Schichten variiert werden, welche
aufeinander gestapelt sind. Wenn sie zu einer Mikrofluidik-Vorrichtung
zusammengebaut sind, sind die Oberflächen und die Bodenflächen von Matrizen-Schichten
zum Paaren mit einer oder mit mehreren benachbarten Schichten (wie
beispielsweise Matrizen-Schichten oder Substrat-Schichten) zum Ausbilden einer im Wesentlichen
geschlossenen Vorrichtung vorgesehen, welche typischerweise mindestens
eine Einlassöffnung
und mindestens eine Auslassöffnung
aufweist.
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Eine
weite Vielfalt von Materialien kann zum Herstellen von Mikrofluidik-Vorrichtungen
verwendet werden, welche sandwichartig eingelegte Matrizen-Schichten
aufweisen, einschließlich
Polymer-, Metall- und/oder Verbund-Materialien, um ein paar zu nennen.
In bestimmten Ausführungsformen
sind besonders bevorzugte Materialien jene, welche im Wesentlichen
optisch durchgängig
sind zum Ermöglichen
von beobachtenden und oder von elektromagnetischen Analysen der
Fluid-Inhalten in einer Mikrofluidik-Vorrichtung. In verschiedenen,
bevorzugten Ausführungsformen
werden poröse
Materialien verwendet, welche Filtermaterialien aufweisen. Die Substrate
und Matrizen können
im Wesentlichen steif oder flexibel sein. Die Auswahl von besonderen
Materialien für
eine gewünschte
Anwendung hängt
von zahlreichen Faktoren ab, mit inbegriffen: die Typen von, die
Konzentrationen von und die Verweildauer der Substanzen (z. B. Lösungen,
Reagenzien und Produkte), welche in Bereichen einer Vorrichtung vorhanden
sind; der Temperatur, dem Druck, dem pH-Wert, der Anwesenheit oder
die Abwesenheit von Gasen und den optischen Eigenschaften.
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Verschiedene
Mittel können
zum aneinander Abdichten oder zum miteinander Verkleben der Schichten
einer Vorrichtung verwendet werden vorzugsweise zum Konstruieren
einer im Wesentlichen versiegelten Struktur. Beispielsweise können Klebstoffe
verwendet werden. In einer Ausführungsform kann
eine oder können
mehrere Schichten von einer Vorrichtung aus einem einseitigen oder
doppelseitigen Klebeband hergestellt sein, obwohl andere Verfahren
zum Verkleben von Matrizen-Schichten
verwendet werden können.
Ein Abschnitt des Bandes (in der gewünschten Form und mit den gewünschten
Abmessungen) kann zum Ausbilden von Kanälen, Kammern und/oder Öffnungen
ausgeschnitten und beseitigt werden. Eine Bandmatrix kann dann auf
ein Trägersubstrat
mit einer geeigneten Deckschicht zwischen Klebebandschichten oder
zwischen Schichten aus anderen Materialien angeordnet werden. In
einer Ausführungsform
können
die Matrizen-Schichten aufeinander gestapelt sein. In dieser Ausführungsform
kann die Dicke oder die Höhe
der Kanäle
in einer bestimmten Matrizen-Schicht durch Variieren der Dicke der
Matrizen-Schicht (z. B. der Klebebandträger und das Klebstoffmaterial
daran) oder durch Verwenden von im Wesentlichen identischen Matrizen-Schichten
variiert werden, welche aufeinander gestapelt sind. Verschiedene
Typen von Bändern können mit
einer derartigen Ausführungsform
verwendet werden. Geeignete Bandträgermaterialien weisen auf,
sind aber nicht darauf beschränkt,
Polyester, Polycarbonate, Polytetrafluorethylene, Polypropylene
und Polymide. Solche Klebebänder
können
verschiede Aushärtverfahren
haben, aufweisend das Aushärten
mittels Druck, mittels Temperatur oder mittels einer chemischen
oder optischen Wechselwirkung. Die Dicke von diesen Trägermaterialien
und Klebstoffen kann variiert werden.
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Besonders
matrizenbasierende Herstellungsverfahren ermöglichen eine sehr schnelle
Herstellung von Vorrichtungen sowohl zum Prototyping als auch zur
Serienproduktion. Das Rapidprototyping ist von unschätzbarem
Werte zum Ausprobieren und zum Optimieren von neuen Vorrichtungsdesigns,
da die Designs schnell realisiert, getestet und (falls notwendig)
modifiziert und weiter getestet werden können, um ein gewünschtes
Ergebnis zu erzielen. Die Möglichkeit,
Vorrichtungen mit Matrizenherstellungsverfahren schnell zu prototypen,
ermöglicht
auch viele unterschiedliche Varianten von einem bestimmten Design,
welches zu testen und gleichzeitig zu bewerten ist.
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Andere
Ausführungsformen
können
aus verschiedenen Materialien unter Anwendung gut bekannter Techniken
hergestellt werden, wie beispielsweise mittels Prägens, Stanzens,
Spritzgießens
und der Weichlithographie.
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Zusätzlich zur
Verwendung von Klebstoffen und den klebstofflosen oben diskutierten
Klebeverfahren können
andere Techniken verwendet werden, um eine oder mehrere der verschiedenen
Schichten der Mikrofluidik-Vorrichtungen anzubringen, welche mit
der Erfindung verwendbar sind, wie es von einem durchschnittlichen
Fachmann im Anbringen von Materialien erkannt werden würde. Beispielsweise
können
Anbringungstechniken, welche thermische, chemische oder lichtaktivierte
Klebeschritte aufweisen, mechanisches Anbringen (wie beispielsweise
das Verwenden von Klammern oder Schrauben, um Druck auf die Schichten
auszuüben)
und/oder andere äquivalente
Kupplungsverfahren verwendet werden.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
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Verschiedene
Mikrofluidik-Vorrichtungen zum Kombinieren diskreter Volumen aus
mindestens einem ersten Fluid und aus mindestens einem zweiten Fluid
werden hierin bereitgestellt. Bemerkenswerterweise sind die, wie
hierin verwendeten Volumen gedacht, dass sie Fluid-Stopfen und nicht
fließende
Ströme
von unbestimmten Volumen zugeordnet werden. In den meisten Fällen sind
das erste Fluid und das zweite Fluid vorzugsweise beide Flüssigkeiten.
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In
bestimmte Ausführungsformen
hierin werden deformierbare Membranen angewendet. Ein System kann
so konstruiert sein, dass die Deformation des Materials entweder
eine Teilblockade oder eine im Wesentlichen vollständigen Blockade
von einem Fluidstromweg in Erwiderung auf eine Änderung eines relativen Drucks
ergibt. Ein elastisches Material kann dort verwendet werden, wo
eine reversible Steuerung des Fluid-Flusses gewünscht wird. Das Herabsetzen
des Drucks in dem entsprechend höheren
Druckkanal-Abschnitt erlaubt, dass die deformierbare Membran ihren
Neutralzustand einnimmt, was einen uneingeschränkten Fluid-Fluss erlaubt.
In einigen Fällen
ist es wünschenswert,
dass die Änderung
in dem Mikrofluidik-Kanal im Wesentlichen permanent oder im Wesentlichen
irreversibel ist. Derartige Anwendungen weisen Startventile auf,
um stromabwärts
liegende Bauteile vor Schaden zu schützen, welcher durch eine hohe
Strömung
oder einen hohen Druck verursacht wird. Auf eine Erhöhung des
Drucks in einem der Kanalabschnitte wird ein unelastisches Material
mit geringem Druck hin zu dem Kanalabschnitt deformiert. Das Material
bleibt für eine
andauernde Periode im Wesentlichen in der Deformationsposition.
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Eine
deformierbare Membran kann auch aus Materialien mit Oberflächeneigenschaften
gemacht sein, welche ihr Verhalten ändern. Beispielsweise kann
eine Membran klebrig sein oder eine Klebstoffbeschichtung aufweisen.
Solche Eigenschaften oder Beschichtungen können auf einer oder auf beiden Seiten
der deformierbaren Membran angebracht sein. Abhängig von der Festigkeit des
Klebstoffs oder des Grads der Klebrigkeit kann diese deformierbare Membran
als variabler Schalter betätigt
werden. Bei niedrigen Relativdrücken
kann die Membran elastisch wirken. Bei hohen Drücken oder bei Systemen, welche
für die
deformierbare Membran zum physisch in Kontakt-Treten mit der gegenüberliegenden
Wand des angrenzenden Kanalabschnitts designt sind, kann die Deformation
in einem permanenten Verschluss des angrenzenden Kanalabschnitts
enden. In einer anderen Ausführungsform
kann die verwendete Membran nicht klebend sein, aber die Fläche, gegen
welche sie abdichtet, kann mit einer klebrigen oder einer mit Kleber
versehenen Fläche
konstruiert sein. Der Grad der Beständigkeit des Verschlusses steht
in Beziehung mit der Elastizität
der Membran und der Festigkeit des verwendeten Klebstoffmaterials.
Beispiele des unelastischen Systems weisen Situationen auf, sind
aber nicht auf dieselben beschränkt,
wo das Material halb-hämmerbar
ist, beispielsweise eine Metallfolie und Situationen, wo eine oder
beide Flächen
permanente oder semipermanente Klebstoffe aufweisen.
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In
einer Ausführungsform
weist eine Mikrofluidik-Vorrichtung zwei benachbarte Mikrofluidik-Kammern
auf, welche von einer Vorrichtungs-Zwischenschicht wie beispielsweise
einer Membran getrennt sind. Die Zwischenschicht definiert einen
Bruchbereich, welcher unter bestimmten Bedingungen einen Zwischenkammer-Fluidstrom verhindert,
aber unter anderen bestimmten Bedingungen einen solchen Fluss erlaubt.
Beispielsweise kann der Druckbereich einen perforierten Bereich,
einen eingekerbten Bereich, einen Schlitz, eine Öffnung, welche in einer anderen
Konfiguration bereitgestellt ist, oder andere Typen von einer brechbaren Versiegelung
aufweisen. Der Bruchbereich kann durch eine konventionelle mechanische,
chemische und/oder elektromagnetische Behandlung zum Ausbilden einer
brechbaren Versiegelung geschwächt werden.
Wegwerf-Abdeckungen können
den Zwischenschichten während
der Konstruktion hinzugefügt
werde, um sicher zu stellen, dass jede abschwächende Behandlung auf gewünschte Bereiche
beschränkt
ist.
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Wenn
die zu der Kammer hinzuzugebenden Fluide wässrig sind, kann dann eine
eine Öffnung aufweisende
Zwischenschicht aus einem hydrophoben Material ausgebildet werden
oder mit demselben ummantelt werden, um eine unbeabsichtigte Fluidpassage
zwischen den angrenzenden Kammern zu verhindern, so dass ermöglicht wird,
dass die Kammern ohne Zwischenkammer-Fluidwanderung befüllt werden.
Ein Druckgradient kann dann angelegt werden, um das Fluid durch
die Öffnung
in der hydrophoben Schicht hindurch zu zwingen, um die beiden Stopfen
zu kombinieren. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ganze eigentlich
ein Schlitz, aus welchem kein Material aus der teilenden Zwischenschicht
beseitigt ist. In einer bevorzugteren Ausführungsform wird der Schlitz
eher unter Anwendung einer Klinge oder eines Stempels als unter
Anwendung eines Lasers ausgebildet, so dass das Beseitigen von Material
aus der Zwischenschicht minimiert wird.
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Bezugnehmend
auf 1A–1C kann eine
einfache Mikrofluidik-Vorrichtung 140 zum Kombinieren von
diskreten Volumen aus zwei unterschiedlichen Fluiden aus fünf Vorrichtungsschichten konstruiert
werden. Entlang des Oberteils der Vorrichtung 140 definiert
die erste Schicht 141 vier Fluid-Öffnungen 142A, 142B, 143A, 143B,
wobei ein Paar von Öffnungen
jeweils einem der beiden Mikrofluidik-Kanäle 144, 147 zugehörig ist.
Ein erster Mikrofluidik-Kanal 144, welcher in der zweiten
Schicht 145 definiert ist, führt ein Fluid zu einer ersten
Mikrofluidik-Unterkammer 146A und der zweite Mikrofluidik-Kanal 147,
welcher in der vierten Schicht 148 definiert ist, durchschneidet
den ersten Kanal 144 und führt ein Fluid zu einer zweiten
Mikrofluidik-Unterkammer 146B. Die erste und die zweite
Kammer 146, 149 werden von der dritten Schicht 150 getrennt,
in welcher ein Bruchbereich 151 (hier als Schlitz ausgebildet)
entlang der Grenze zwischen den beiden Unterkammern 146A, 146B definiert
ist. Nach dem Bruch des Bruchsbereiches 151 kann eine Fluid-Kommunikation
zwischen den beiden Unterkammern 146A, 146B aufgebaut
werden, um eine durchgängige
Kammer 146 auszubilden. Eine fünfte Schicht 152 definiert
die untere Grenze der zweiten Kammer 149. In einer bevorzugten
Ausführungsform sind
die erste und die fünfte
Schicht 141, 152 aus einem Polymerfilm gemacht,
ist die zweite Schicht 145 aus einem doppelseitigen Klebeband
gemacht, ist die dritte Schicht 150 aus einem einseitigen
Klebeband gemacht, wobei der Klebstoff nach unten gewandt ist, und
ist die vierte Schicht 148 aus einem einseitigen oder doppelseitigen
Klebeband gemacht.
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Bei
der Betätigung
wird ein diskretes Volumen oder "Stopfen" aus einem Fluid
in der ersten Unterkammer 146A ausgebildet, wenn die erste
Kammer 144 befüllt
wird, und ein zweiter Fluid-Stopfen wird in der zweite Unterkammer 146B ausgebildet, wenn
die zweite Kammer 147 befüllt wird. Der Schlitz 151 in
der dritten Schicht 150 wird von dem Klebstoff auf der
Bodenseite der dritten Schicht 150 geschlossen gehalten.
Sobald die Stopfen ausgebildet sind, sind die Öffnungen 142, 143 zu
jedem Kanal 144, 147 versiegelt (beispielsweise
mittels Heißsiegeln, mittels
Abdecken mit einem selbstklebenden Film oder mittels einem Äquivalent).
Die Volumen der Fluid-Stopfen werden von den Unterkammern 146A, 146B und
jedem Fluid definiert, welches in den Kanälen 144, 147 zwischen
den Unterkammern 146A, 146B und den Kanal-Versiegelungen verbleibt.
Das kombinierte Volumen der Kammer 146, welche aus beiden
Unterkammern 146A, 146B besteht, ist vorzugsweise
weniger als ungefähr
2 μl und
vorzugsweise weniger als ungefähr
1 μl. Dem
Fluidfüll-
und Kanalabdicht-Schritt
folgt, dass der Schlitz 151 in der dritten Schicht 150 gebrochen
wird, wobei der Bruchbereich 151 zwischen den Kammern 146A, 146B so gebrochen
wird, dass den Stopfen ermöglicht
wird, in der durchgängigen
Kammer 146 ineinander zu diffundieren. Der Bruch kann vorteilhafterweise
durch Biegen der Vorrichtung 140 entlang der Richtung des Schlitzes 151 durchgeführt werden.
Alternativ kann durch das Ausbilden eines Druckunterschiedes zwischen
den Unterkammern 146A, 146B der Bruchbereich 151 gebrochen
werden.
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Ein
Vorteil des Designs gemäß den 1A–1C ist,
dass es zum Aufweisen einer großen
Anzahl von Mikrofluidik-Kammern ohne Hinzufügen weiterer Schichten oder
Komplexität
ausgeweitet werden kann. Beispielsweise zeigen 2A–2B eine
Mikrofluidik-Vorrichtung 160 zum Kombinieren von diskreten
Fluid-Volumen, so dass bis zu vier unterschiedliche Kombinationen
erzielbar sind, wobei vier Kammern jeweils in zwei Schichten definiert
sind und in einem 2 × 2
Bereich angeordnet sind. Die Vorrichtung 160 weist das
gleiche fünfschichtige
Basisdesign wie die Vorrichtung 140 auf, welche in 1A–1C gezeigt
ist. Jedoch weist die Vorrichtung 160 vier Kanäle 161A, 161B, 162A, 162B in
Kommunikation mit vier Einlassöffnungen 163A und
vier Auslassöffnungen 163B, welche
in der ersten Schicht 155 definiert sind, vier Unterkammern 120A in
der zweiten Schicht 156, vier Unterkammern 120B–126B in
der vierten Schicht 158 und mehrere Bruchbereiche 165A, 165B auf, welche
in der dritten Schicht 157 definiert sind. Jedem der vier
Kanäle 161A, 161B, 162A, 162B können unterschiedliche
Fluide zugegeben werden. Die Unterkammern 120A–126A, 120B–126B können dann
aus den Kanälen 161A, 161B, 162A, 162B versiegelt
werden. Beispielsweise kann eine Wärmesonde (nicht gezeigt) verwendet
werden, um die Kanäle 161A, 161B, 162A, 162B beispielsweise
durch lokales Schmelzen der äußersten
Vorrichtungsschicht 155, 159 entlang den Kanälen 161A, 161B, 162A, 162B abzudichten.
Danach können
die Bruchbereiche 165A, 165B so gebrochen werden,
dass den Fluiden in den in der zweiten Schicht 156 definierten
Unterkammern 120A–126A ermöglicht wird, sich
mit Fluiden in den in der vierten Schicht 158 definierten
Unterkammern 120B–126B zu
vereinigen.
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D.
h., dass nach dem Bruch des Bruchbereichs 165A–165B eine
Fluid-Kommunikation zwischen den Unterkammern 120A, 120B zum
Ausbilden einer ersten durchgängigen
Kammer 120 etabliert wird; eine Fluid-Kommunikation zwischen
den Unterkammern 122A, 122B zum Ausbilden einer zweiten
durchgängigen
Kammer 122 etabliert wird; eine Fluid-Kommunikation zwischen
den Unterkammern 124A, 124B zum Ausbilden einer
dritten durchgängigen
Kammer 124 etabliert wird; und eine Fluid-Kommunikation zwischen
den Unterkammern 126A, 126B zum Ausbilden einer
vierten durchgängigen
Kammer 126 etabliert wird. Wenn unterschiedliche Fluide
für jeden
der vier Kanäle 161A, 161B, 162A, 162B vorgesehen
sind, dann werden, nach dem die Bruchbereiche 165A, 165B gebrochen
sind, unterschiedliche Fluid-Kombinationen in jedem der vier Kammern 120, 122, 124, 126 enthalten
sein. Mikrofluidik-Vorrichtungen, welche viel mehr und/oder dichter
gepackte Mischkammern zum Kombinieren vieler Fluide haben, können gemäß dem gleichen
Basisidesign vorbereitet werden.
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In
einer anderen Ausführungsform
weist eine Mikrofluidik-Vorrichtung
zum Kombinieren diskreter Fluidvolumen eine Mikrofluidik-Kammer
auf, welche in eine erste diskrete Unterkammer und eine zweite diskrete
Unterkammer undurchlässig
unterteilt werden kann. Bezugnehmend auf 3A–3F ist eine
Mikrofluidik-Vorrichtung 170 in drei Schichten ausgebildet.
Die erste Schicht 171 weist vier Öffnungen 174A, 174B, 175A, 175B auf,
von denen zwei Öffnungen 174A, 714B in
Fluid-Kombinationen mit einem ersten Mikrofluidik-Kanal 176 sind
und von denen zwei Öffnungen 175A, 175B in
Fluid-Kommunikation mit einem zweiten Mikrofluidik-Kanal 177 sind. Die
zweite Schicht 172 definiert sowohl die Kanäle 176, 177 als
auch eine Kammer 178, welche imstande ist, die Kanäle 176, 177 zu
verbinden. Vorzugsweise sind die erste und dritte Schicht 171, 173 aus einem
thermoplastischen Polymerfilm ausgebildet oder mit einem thermoplastischen
Polymer ummantelt und die zweite Schicht 172 ist ein doppelseitiges Klebeband.
Zum Unterteilen der Kammer 178 kann die erste Schicht 171 entlang
einer Linie lokal erwärmt
werden, wobei die Kammer 178 halbiert wird, was bewirkt,
dass das thermoplastische Material lokal schmilzt, ohne dass durch
die erste Schicht 171 geschnitten wird. Ein Laser (nicht
gezeigt) wird vorzugsweise für
diesen Zweck (unter Anwendung einer Technik, welche Laser-Schweißen genannt
wird, bei welcher das Material lokal geschmolzen aber nicht abgetragen
wird) verwendet, obwohl andere konventionelle Lokalwärme-Techniken,
wie beispielsweise Ultraschall-Glühen, Elektro-Widerstand-Glühen (unter
Anwendung von Elektroden (nicht gezeigt), welche an oder in der
ersten Schicht 171 angelegt werden) und/oder Kontaktglühen zum
Erzielen desselben Ergebnisses verwendet werden können. Durch Anwenden
jeder dieser Techniken kann die erste Schicht 171 an der
dritten Schicht 173 entlang der Bahn 179 des Lokal-Glühens oder "Schmelzen" lose angeklebt werden.
Die 3A–3B zeigen
die Draufsichten und 3C zeigt eine Querschnittsansicht
entlang der Schnittlinie "B"-"B" (welche
in 3B dargestellt ist) von einer Kammer 178 vor dem
Laser-Schweißen. 3D–3F zeigen
diese Ansichten nachdem die Kammer 178 unterteilt ist.
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Die
Haftung zwischen den Abschnitten der ersten und dritten Schicht 171, 173 aufgrund
des Lokal-Glühschrittes
ist vorzugsweise nicht permanent (d. h. lose). Dem Lokal-Glühen zum
Unterteilen der Kammer 178 folgt das Befüllen der
zwei sich ergebenden Unterkammern 178A, 178B mit
unterschiedlichen Fluiden. Zum Ermöglichen des Kombinierens der
Fluide gibt es mehrere unterschiedliche Wege zum Aufbrechen der
die Kammer 178 unterteilenden Versiegelung. In einer Ausführungsform
sind die Fluidik-Öffnungen 174A, 174B, 175A, 175B beispielsweise
durch Lokal-Glühen
mittels einer Glühsonde (nicht
gezeigt) versiegelt und die Versiegelung zwischen den Unterkammern 178A, 178B wird
durch Anlegen einer Außenkraft
oder eines Drucks an der Kammer 178 gebrochen. In einer
anderen Ausführungsform
sind alle bis auf eine von den Fluidik-Öffnungen 174A, 174B, 175A, 175B versiegelt.
Die unversiegelte Öffnung
wird dann zum Zuführen
von Druck aus einer Außenquelle
(nicht gezeigt) verwendet. In noch einer anderen Ausführungsform
sind alle Fluidik-Öffnungen 174, 175 versiegelt
und ein Außensog
oder ein Vakuum wird auf der unterteilenden Versiegelung angelegt,
um die Versiegelung zu brechen und um die Barriere zwischen den
Unterkammern 178A, 178B zu eliminieren.
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In
einer ähnlichen
Ausführungsform
kann eine Kammer in mehrere Unterkammern mit einer Klebstoffbindung
unterteilt werden. Bezugnehmend auf 4A–4D ist
eine Mikrofluidik-Vorrichtung 180 zum
Kombinieren diskreter Fluidvolumen in fünf Schichten 181–185 ausgebildet.
Die erste Schicht 181 ist vorzugsweise ein starres Substrat
und definiert zwei Fluidik-Einlassöffnungen 186A, 187A und zwei
Fluidik-Auslassöffnungen 186B, 187B.
Ein Satz von Öffnungen 186A, 186B steht
in Fluid-Kommunikation
mit einem ersten Kanal 188 und der Kammer 191,
welche in der vierten Schicht definiert sind, und der andere Satz
von Öffnungen 187A, 187B steht
in Fluid-Kommunikation mit einem zweiten Kanal 189 und
der Kammer 191, welche in der vierten Schicht definiert
sind. Die zweite Schicht 182 ist vorzugsweise ein doppelseitiges
Klebeband. Die dritte Schicht 183 ist vorzugsweise ein
nicht-klebender Film, welcher einen Ausschnittsbereich 190 definiert,
welcher mindestens einen Teil der Kammer 191 begrenzt.
Die vierte Schicht 184 ist vorzugsweise ein doppelseitiger
Klebstoff, welcher einen Abschnitt der Kammer 191 unter
dem Ausschnitt 190 definiert, welcher in der dritten Schicht 183 definiert
ist. Die fünfte
Schicht 185 ist vorzugsweise eine deformierbare Membran wie
beispielsweise ein flexibler Polymerfilm. Zum Unterteilen der Kammer 191 in
zwei Unterkammern 191A, 191B wird die fünfte Schicht 185 zum
Ergreifen eines bloßgelegten
Klebstoffbereichs entlang des Ausschnitts 190 aufwärts deformiert,
wobei der Zentralkanal 191 von oben begrenzt wird. Sobald
im Eingriff stehend, haftet ein Abschnitt der fünften Schicht 185 lokal
an der Klebstoff-Unterfläche
der zweiten Schicht 182, wodurch die Kammer 191 in
zwei Unterkammern 191A, 191B getrennt wird. 4C zeigt eine
Querschnittsansicht der Kammer 191 (entlang der Schnittlinie "D"-"D", welche in 4B gezeigt
ist) vor der Unterteilung und 4D zeigt
dieselbe Ansicht, aber nachdem die Kammer 191 in zwei Unterkammern
unterteilt ist. Die sich ergebende Klebeverbindung zwischen den
Abschnitten der zweiten und fünften
Schicht 182, 185 ist schwach, aber hält die Fluidik-Separation zwischen
den beiden Unterkammern 191A, 191B bei niedrigen
Fluid-Drücken
aufrecht. Der Ausbildung der Unterkammern 191A, 191B folgend,
kann dann ein Fluid unabhängig
in beide Unterkammern eingefüllt
werden. Wie es der Fall bei den wärmeversiegelten Vorrichtungen
war, können
mehrere Verfahren zum Brechen der Versiegelung verwendet werden.
In einer Ausführungsform sind
die Fluidik-Öffnungen 186A, 186B, 187A, 187B versiegelt
und die Versiegelungs-Unterteilung
der Unterkammern 191A, 191B wird durch Anlegen
eines Drucks an eine der Unterkammern 191A, 191B gebrochen.
In einer anderen Ausführungsform
sind alle bis auf eine der Fluidik-Öffnungen 186A, 186B, 187A, 187B versiegelt.
Die offene Öffnung
wird dann zum Zuführen
von Druck aus einer Außenquelle (nicht
gezeigt) verwendet. In noch einer anderen Ausführungsform sind alle Einlass-
und Auslassöffnungen 186A, 186B, 187A, 187B versiegelt
und ein Außensog
oder Vakuum wird angrenzend zu der deformierbaren Membranschicht 185 angelegt
zum Loslösen
oder Brechen der Unterteilungs-Versiegelung.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist ein zusätzlicher
Kanal in einer sechsten Schicht (nicht gezeigt) definiert und von
einer siebten Schicht (nicht gezeigt) umschlossen und unter der
fünften
Schicht 185 entlang dem Klebstoffversiegelungsbereich angeordnet.
Druck kann an dem sechsten Kanal zum Deformieren der dritten Schicht
angelegt werden, um die Kammer aufzuteilen und Vakuum kann dann
zum Loskuppeln oder Brechen der Versiegelung angelegt werden.
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In
einer anderen Ausführungsform,
welche ähnlich
zu den eben oben Beschriebenen konfiguriert ist, wird eine Klemme
(nicht gezeigt) zum Unterteilen einer Kammer verwendet, in dem sie
entlang einer Mittellinie durch Zusammendrücken so geschlossen wird, dass
es ermöglicht
wird, dass mehrere Unterkammern befüllbar sind, und dann die Klemme
so freigegeben wird, dass den beiden Stopfen das Vermischen ermöglicht wird.
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14 stellt
die Schritte eines bevorzugten Verfahrens zum Kombinieren diskreter
Fluidvolumen dar, bei welchem Mikrofluidik-Vorrichtungen anwendbar
sind, wie jene, die in den 3A–3F oder 4A–4D dargestellt
sind. Ein erster Schritt 600 weist das Bereitstellen einer
Mikrofluidik-Vorrichtung (zum Beispiel Vorrichtungen 170, 180,
welche vorher beschrieben sind) auf, welche eine Mikrofluidik-Kammer
hat, welche von einer ersten Vorrichtungsschicht und von einer deformierbaren
Membran begrenzt ist. Ein zweiter Schritt 602 weist das
Unterteilen der Kammer in diskrete Unterkammern auf, in dem ein
Abschnitt der deformierbaren Membran mit der ersten Fläche in Eingriff
kommt. Die nächsten Schritte 604, 606 können aufeinanderfolgend
oder im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt werden; sie weisen das
Auffüllen
der ersten diskreten Unterkammer mit einem ersten Fluid und das
Auffüllen
der zweiten diskreten Unterkammer mit einem zweiten Fluid auf. Ein
nachfolgender Schritt 608 weist das Loskuppeln der deformierbaren
Membran von der ersten Vorrichtungsschicht auf.
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In
einer anderen Ausführungsform
kann eine Mikrofluidik-Vorrichtung
zum Kombinieren diskreter Fluidvolumen mit einer "kollabierbaren" Kammer hergestellt
sein, welche von einer deformierbaren Membran begrenzt ist, wobei
das Volumen der Kammer durch Deformieren der Membran unter Anwendung von
pneumatischen, magnetischen oder äquvalenten Mittel deformiert
werden kann. Vorzugsweise ist die Kammer anfangs kollabiert, um
das Eintreten eines Fluids in die Kammer zu verhindern, und dann
wird das Kammervolumen expandiert zum Öffnen der Kammer und zum gleichzeitigen
Hineinsaugen von Fluidstopfen in die Kammer. Beispielsweise, mit
Bezugnahme auf 5A–5D, ist
eine Mikrofluidik-Vorrichtung 230 zum Kombinieren diskreter
Fluid-Volumens mit acht Schichten hergestellt. Die 5A–5B zeigen
Draufsichten der Vorrichtung 230 und die 5C–5D stellen
Querschnittsansichten entlang der Schnittlinie "E"-"E" (dargestellt in 5B) eines
Abschnitts der Vorrichtung 230 im Betrieb bereit.
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Vorzugsweise
ist die erste Schicht 232 ein starres Substrat, die zweite,
sind vierte und sechste Schicht 233, 235, 237 aus
doppelseitigem Klebeband konstruiert, ist die dritte Schicht 234 ein
deformierbarer Membranfilm wie beispielsweise Latex, ist die fünfte Schicht 236 aus
einem nicht klebenden Film konstruiert, ist die siebte Schicht 238 aus
einem einseitigen Klebeband konstruiert, wobei der Klebstoff nach
unten zeigt, und ist die achte Schicht 239 aus einer hydrophoben
Porenmembran konstruiert. Die zweite Schicht 233 definiert
eine Betätigungskammer 240,
die von einer Außenquelle
(nicht gezeigt), die an der Vorrichtung 230 an einer Betätigungsöffnung 241 angeschlossen
ist, vom Druck befreit und/oder unter Druck gesetzt werden kann,
um den uneingeschränkten
Abschnitt 243 der deformierbaren Membran zu deformieren,
welche die dritte Schicht 234 ausbildet. Unter dem uneingeschränkten Abschnitt 242 der
dritten Schichtmembran ist eine Fluidkammer 244, welche
in der vierten Schicht 237 definiert ist. In der fünften Schicht 236 an
der Untergrenze der Mischkammer 244 sind Fluidik-Einlassöffnungen 245, 246 zum
Zuführen
von Fluid-Stopfen zu der Fluidkammer 244 definiert, wobei
die Stopfen zu der Vorrichtung 230 durch Außenöffnungen 247, 248 zugeführt werden,
welche in Kommunikation mit Fluidikkanälen 251 in der sechsten
Schicht 237 stehen. Eine abwärts gerichtete Deformation
des uneingeschränkten
Abschnitts 242 bedeckt die Fluidik-Einlassöffnungen 245, 246,
um den Fluidzutritt zu der Kammer 244 zu verhindern.
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Im
Betrieb wird anfangs an der Betätigungskammer 240 Druck
angelegt, um den uneingeschränkten
Abschnitt 242 so zu deformieren, dass die Fluidik-Einlassöffnungen 242, 246 bedeckt
sind und der Fluidzutritt zu der Kammer 244 verhindert wird.
Ein erstes Fluid und ein zweites Fluid werden der Vorrichtung 230 über die
Einlassöffnungen 247A, 248A in
die Fluidkanäle 251A, 251B entlang
beiden Seiten der Vorrichtung 230 zugeführt, wobei die Probekammer 244 geschlossen
ist. Jeder Einlasskanal 251A, 251B weist einen
zugehörigen
Anschluss 252A, 252B und einen Verzweigungskanal 249, 250 auf.
Ein erstes Fluid, welches der einen Öffnung 247A zugeführt wird,
füllt den
ersten Kanal 251 und den ersten Abzweigungskanal 249.
Ein zweites Fluid, welches der anderen Öffnung 247B zugeführt ist,
füllt den
zweiten Kanal 251B und den zweiten Abzweigungskanal 250.
Entlüftungsbereiche 253, 254,
welche eine Fluid-Kommunikation zwischen den Abzweigungskanälen 249, 250 und
der porösen
achten Schicht 239 bereitstellen, ermöglichen das Vorrücken von
Fluiden, um jegliche Luft aus den Abzweigungskanälen 249, 250 zu
verdrängen.
Sobald befüllt,
kann das Fluid in den Abzweignungskanalabschnitten 249, 250 in
diskrete Volumen-Stopfen
durch Entleeren der Kanäle 251A, 251B isoliert
werden, wie beispielsweise durch Anwenden unter Druck gesetzter
Luft oder unter Druck gesetzten Stickstoffs. Sobald die Stopfen in
den Abzweigungskanälen
ausgebildet sind, wird ein Vakuum an der Betätigungskammer 240 angelegt,
um den uneingeschränkten
Abschnitt 242 der deformierbaren Membran 234 zum
Aufwärtsbiegen zu
veranlassen, wodurch die Probekammer 244 geöffnet wird.
Bezugnehmend auf die 5D erzeugt das Aufwärtsbiegen
des uneingeschränkten
Abschnitts 242 ein Vakuum in der Probekammer 244, welches
die Stopfen des ersten Fluids und des zweiten Fluids in die Probekammer 244 hineinsaugt,
so dass den Stopfen das Kombiniert werden erlaubt wird. Sobald sie
in der Kammer 244 sind, werden die Stopfen sich stufenweise
aufgrund von Diffusion vermischen. Das Mischen kann durch die Zugabe
von Energie beschleunigt werden, wie beispielsweise durch Schütteln der
Vorrichtung 230, durch Anlegen von einem Schall-(zum Beispiel
Ultraschall)Horn (nicht gezeigt), welches an die Probekammer 244 angrenzt,
durch ein Magnet-Partikel (nicht gezeigt), welches in der Kammer 244 vorgesehen
ist und das Partikel mit einem Außenmagnetfeld oder durch andere
Mischmittel bewegt wird.
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In
einer anderen Ausführungsform,
welche eine deformierbare Membran anwendet, sind zwei Fluid-Stopfen
hinter einer deformierten Membran ausgebildet und das Druckanlegen
hinter den Proben öffnet
die Mischkammer und erlaubt, dass die Proben kombinierbar sind.
Bezugnehmend auf die 6A–6B, welche
Querschnittansichten eines Abschnitts 260 einer Mikrofluidik-Vorrichtung
zum Kombinieren diskreter Fluidvolumen sind, ist die Vorrichtung 260 aus
sechs Schichten 261–266 ausgebildet.
Vorzugsweise ist die erste Schicht 261 ein starres Substrat,
sind die zweite und die vierte Schicht 262, 264 doppelseitige
Klebebänder,
ist die dritte Schicht 263 eine deformierbare Membran,
wie beispielsweise ein 4 millizoll (100 μm) dickes Latex, ist die fünfte Schicht 265 ein
einseitiges Klebeband, wobei der Klebstoff nach unten zeigt, und
ist die sechste Schicht 266 eine hydrophobe Porenmembran.
Die zweite Schicht 262 definiert eine Betätigungskammer 267 und
die vierte Schicht 264 definiert eine Probekammer 271,
wobei die beiden Kammern 264, 267 von einem uneingeschränkten Abschnitt 268 der
deformierbaren Membran 263 getrennt sind. Die Fluidik-Kanalabschnitte 269, 270,
welche in der vierten Schicht 264 definiert sind, transportieren
ein Fluid zu den Grenzen der Probekammer 271. Entlüftungslöcher 272, 273 sind
in der fünften
Schicht 266 definiert, um Luft, welche in den Kanalabschnitten 269, 270 mitgerissen
wird, mittels der Fluide zu verdrängen wie sie in die Probekammer 271 gefüllt werden.
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Im
Betrieb wird die Betätigungskammer 267 anfänglich von
einer Außenkammer
(nicht gezeigt) zum Deformieren des uneingeschränkten Abschnitts 268 der
deformierbaren Membran 263 abwärts zum Schließen (oder
Kollabieren) der Probekammer 271, wie in 6A gezeigt,
unter Druck gesetzt. Der erste Kanalabschnitt 269 wird
dann mit einem ersten Fluid gefüllt
und der zweite Kanalabschnitt 270 wird mit einem zweiten
Fluid gefüllt.
Den beiden Fluiden wird ermöglicht,
hin zu den kollabierten uneingeschränkten Abschnitt 286 der
Membran 263 aufgrund der Entlüftungslöcher 272, 273 zu
strömen,
welche jede Luft vor dem vorrückenden
Fluiden entlüften.
Sobald Liquidstopfen in den Kanalabschnitt 269, 270 ausgebildet
sind, wird der Druck in der Betätigungskammer 267 freigegeben
oder zumindest reduziert. Jedoch wird Vakuum vorzugsweise nicht
an das ziehende Vakuum angelegt, sodass die Probekammer 271 kollabiert
bleibt. Die Kanalabschnitte 269, 270 werden dann
unter Druck gesetzt, wie beispielsweise durch Anlegen eines unter
Druck gesetzten Gases in einem oder mehreren Stromaufwärtsbereichen
(nicht gezeigt). Der erste Fluid-Stopfen
und der zweite Fluid-Stopfen betreten dann die Mischkammer 271 und verstellen
dann die deformierbare Membran 268 nach oben, wie in 6B gezeigt.
Sobald jeder Stopfen in der Probekammer 271 vorhanden ist,
entkommt das unter Druck gesetzte Gas, welches hinter jedem Stopfen
angelegt ist, durch die Entlüftungslöcher 272, 273 und
der erste Fluidstopfen und der zweite Fluidstopfen bleiben zum Kombiniert
werden in der Kammer 271.
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15 stellt
die Schritte eines bevorzugten Verfahrens zum Kombinieren diskreter
Fluidvolumen dar, welches Mikrofluidik-Vorrichtungen anwenden kann, wie beispielsweise
jene, welche in den 5A–5B (oder
andere darin offenbarten Ausführungsformen)
dargestellt sind. Ein erster Schritt 650 weist das Bereitstellen
einer Mikrofluidikvorrichtung auf, welche eine Kammer hat, welche
entlang einer Fläche
von einer deformierbaren Membran begrenzt ist, welche mehrere Mikrofluidik-Känale zum Zuführen unterschiedlicher
Fluide hin zu der Kammer aufweist. Die nächsten Schritte 652, 654 können aufeinanderfolgend
oder im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt werden; sie weisen das
Manipulieren der deformierbaren Membran auf, um eine Fluid-Kommunikation
zwischen einem ersten Mikrofluidik-Kanal und der Kammer nicht zu
erlauben, und das Manipulieren der deformierbaren Membran auf, um
die Fluid-Kommunikationn zwischen einem zweiten Mikrofluidik-Kanal
und der Kammer nicht zu erlauben. Die folgenden Schritte 656, 658 können wieder
aufeinanderfolgend oder im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt werden;
sie weisen das Füllen des
ersten Mikrofluidik-Kanals mit einem ersten Fluid und das Füllen des
zweiten Mikrofluidik-Kanals mit einem zweiten Fluid auf. Ein weiterer
Schritt 660 weist das Manipulieren der deformierbaren Membran auf,
um dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid das Betreten der Mikrofluidik-Kammer
zu erlauben.
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In
einer anderen Ausführungsform
werden mehrere kollabierbare Kammern innerhalb einer Mikrofluidik-Vorrichtung
verwendet, um die Anwesenheit von Luft in einer Probenkammer zu
minimieren, welche zum Aufnehmen von Fluiden, welche zu kombinieren
sind, vorgesehen ist. Bezugnehmend auf 7A–7G ist
ein Beispiel von einer derartigen Mikrofluidik-Vorrichtung 280 aus acht Schichten 281–289 konstruiert.
Vorzugsweise ist die erste Schicht 281 ein starres Substrat;
sind die zweite, vierte und sechste Schicht 282, 284, 286 aus
doppelseitigen Klebeband konstruiert; ist die dritte Schicht 283 aus
einer deformierbaren Membran wie beispielsweise Latex ausgebildet;
ist die fünfte
Schicht 285 aus einem nichtklebenden Film konstruiert;
ist die siebente Schicht 287 aus einem einseitigem Klebeband konstruiert,
wobei es die Klebestoffseite unten hat; und ist die achte Schicht 288 Schicht
ein poröser Film.
Vorzugsweise ist die achte Schicht 288 auch hydrophob.
Die zweite Schicht 282 definiert zwei mittlere Betätigungskammern 289, 290,
welche über
einer Probekammer 291 (welche in der vierten Schicht 284 definiert
ist) angeordnet sind, und definiert auch zwei seitliche Betätigungskammern 292, 293,
welche über
Fluidik-Öffnungen 294, 295 angeordnet
sind, welche in der fünften
Schicht 285 definiert sind. Die Fluidik-Öffnungen 294, 295 sind
imstande Fluide aus den Kanalabschnitten 296, 297 mir
der Probekammer 291 in Kommunikation zu bringen, wenn die
seitlichen Betätigungskammern 292, 293 nicht
unter Druck gesetzt sind, da die deformierbare Membran 283 die
seitlichen Kammern 292, 293 begrenzt, so dass
die Öffnungen 294, 295 bedeckt
sind. Die 7A zeigt eine Querschnittansicht
der Mikrofluidik-Vorrichtung 280 bevor
mit irgendeiner Aktion begonnen wird.
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Bezugnehmend
auf 7B werden zum Vorbereiten der Betätigung der
Mikrofluidik-Vorrichtung 280 die zentralen Betätigungskammern 289, 290 über der
Probekammer 291 zuerst unter Druck gesetzt, vorzugsweise
auf ungefähr
10 psi, um die dritte Schicht-Membran 243 lokal zum Kollabieren der
Probekammer 291 zu deformieren. Während ein geringerer Druck
verwendet werden kann, wurde von einem Druck von ungefähr 10 psi
herausgefunden, dass er eine wirksamen Versiegelung bereitstellt.
Die seitlichen Betätigungskammern 292, 293,
welche über
den Einlassöffnungen 294, 295 positioniert
sind, werden dann unter Druck gesetzt, vorzugsweise auf ungefähr 10 psi,
um die Öffnungen 294, 295 zum
Verhindern des Fluidflußes
dort hindurch zu versiegeln. Die kombinierte Wirkung der seitlichen
Betätigungskammern 292, 293,
der deformierbaren dritten Schichtmembran 283 und der Öffnungen 294, 295, welche
in der fünften
Schicht 285 definiert sind, wirken als Membran-Ventile.
Der Grund, dass die zentralen Betätigungskammern 289, 290 vor
den seitlichen Betätigungskammern 292, 293 unter
Druck gesetzt werden, ist, dass das Einschließen von Luft 291 in
der Probekammer minimiert wird.
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Der
Unterdrucksetzung von allen vier Betätigungskammern 289, 290, 292, 293 folgt
das Einführen
eines ersten Fluids in den ersten Kanalabschnitt 296 und
eines zweiten Fluids in den zweiten Kanalabschnitt 297,
um zwei diskrete Fluidstopfen auszubilden. Wenn die Fluid-Stopfen
in die Kanalabschnitte 296, 297 eingeführt sind,
wird jegliche Luft, welche in den Abschnitten 296, 297 ist,
durch die Entlüftungslöcher 298, 299 und
die poröse
achte Schicht 288 entlassen. Die diskreten Fluid-Stopfen
werden dann in die Probekammer 291 eine nach der anderen eingeführt. Zum
Einführen
des ersten Fluid-Stopfens wird
ein Gas (z. B. Stickstoff oder Luft) auf ungefähr 14 zoll-H2O
hinter dem ersten Stopfen unter Druck gesetzt, dann werden die erste
seitliche Betätigungskammer 292 und
die erste zentrale Betätigungskammer 290 unter
Druck gesetzt, wobei dem ersten Stopfen ermöglicht wird, dass er in die
eine Hälfte
der Probekammer 291, wie in 7D gezeigt,
fließt.
Dem Einführen
des ersten Stopfens folgt das Wiederunterdrucksetzen der ersten
seitlichen Betätigungskammer 293,
um den ersten Stopfen in der Probekammer 291 zu Versiegeln,
wie in 7E gezeigt, wodurch ein Entkommen
oder ein Verdunsten verhindert wird. Die vorangegangenen beiden
Schritte werden dann für
den zweiten Stopfen wiederholt: der Stopfen wird von hinten unter
Druck gesetzt, die Betätigungskammern 292, 289 werden
geöffnet
(wie in 7F gezeigt), der Stopfen betritt
die Probekammer 291 und die zweite Betätigungskammer 292 wird
wieder unter Druck gesetzt, um die Probekammer 291 zu versiegeln.
Der Endzustand der Vorrichtung 280, wobei die beiden Stopfen
in der Probekammer 291 vorhanden und versiegelt sind, folgt
das Unterdrucksetzen der seitlichen Betätigungskammern 292, 293,
wie in 7G gezeigt.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist eine liquidpermeable poröse
Membran zwischen einer Probekammer und einer Betätigungskammer angeordnet. Bezugnehmend
auf 8A–8B ist
eine Mikrofluidik-Vorrichtung 300 mit acht Schichten 301–308 konstruiert. 8A ist
eine Draufsicht auf die Vorrichtung 300 und 8B ist
eine Querschnittsansicht eines Abschnitts der Vorrichtung 300 entlang
der Schnittlinie "F"-"F",
welche in 8A gezeigt ist. Die erste Schicht 301 ist
ein Substrat, welches Fluidik-Öffnungen 310A, 310B, 311A, 311B zur Kommunikation
von Fluiden mit der Vorrichtung 300 und eine Betätigungsöffnung 312 definiert,
welche mit einer Außenvakuumsquelle
(nicht gezeigt) verbunden ist. Vorzugsweise sind die zweite, vierte
und sechste Schicht 302, 304, 306 aus
einem doppelseitig selbstklebenden Band konstruiert; sind die dritte und
die fünfte
Schicht 303, 305 hydrophob (oder, falls die Probenfluide
nicht wässrig
sind, dann gegenüber dem
bestimmten zu verwendenden Fluid ähnlich widerstandsfähig) poröse Membranen;
ist die siebente Schicht mit einseitigem Klebeband konstruiert,
wobei der Klebstoff nach unten zeigt; und ist die achte Schicht 308 aus
einem nicht klebenden Film konstruiert. Die zweite Schicht 302 definiert
eine Betätigungskammer 313,
die vierte Schicht 304 definiert eine Probekammer 314 und
die sechste Schicht 306 definiert Fluidik-Einlassöffnungen 315, 316,
welche eine Fluid-Kommunikation zwischen den Kanälen 319A, 319B und
der Probekammer 314 erlauben. Eine Funktion der dritten
Schicht 303 ist, Liquid am Eindringen in die Betätigungskammer 313 zu
behindern. Vorzugsweise weist die fünfte Schicht 303 eine größere Liquid-Permeabilität als die
dritte Schicht 303 auf, so dass ein Fluid durch die fünfte Schicht 303 bei
einem niedrigeren Schwellenwert-Druck hindurch passieren kann, als
es durch die fünfte
Schicht 305 hindurchpassieren kann. Beispiele von geeigneten
porösen
Materialien weisen Materialien, welche im Allgemeinen von Porex
Technologies (Fairburn, GA) verfügbar
sind und GORE-TEX®-type Materialien aufweisen.
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Bei
der Betätigung
der Vorrichtung 300 sind ein erstes Fluid und ein zweites
Fluid zu der Vorrichtung 300 mit geringem Druck durch die
Außenöffnungen 310, 311 zugeführt und
kommunizieren mit den Einlassöffnungen 317A, 317B.
Vorzugsweise sind das erste Fluid und das zweite Fluid Flüssigkeiten. Eine
Verbindungsstelle 318A, 318B in jedem Einlasskanal 317 erlaubt,
dass jedes Fluid, einen Abzweigungskanalabschnitt 319A, 319B befüllt. Danach
wird jedes restliche erste Fluid in dem ersten Einlasskanal 317A und
jedes restliche zweite Fluid des zweiten Einlasskanals 315 durch
Ausspülen
dieser Fluide mit einem unter Druck gesetzten Gas abgeführt, welches
die Fluide aus den Einlassöffnungen 310A, 311A hin
zu den Auslassöffnungen 310B, 311B drückt, um
diskrete Fluid-Stopfen in den Abzweigungskanälen 319A, 319B (nämlich einen
ersten Fluid-Stopfen
in dem ersten Abzeigungskanal 319A und einem zweiten Fluid-Stopfen
in dem zweiten Abzweigungskanal 319B) auszubilden. Die
fünfte Schicht 305 funktioniert,
die Stopfen am Eindringen in die Probekammer 314 zu stoppen,
wenn die Stopfen dosiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform
weist die fünfte
Schicht 305 eine größere Liquidpermeabilität als die
dritte Schicht 303 auf, so dass bei einem gegebenen Schwellwertdruck
ein Liquid in die Probekammer 314 hineingesaugt werden kann,
aber am Eindringen in die Betätigungskammer 310 gehindert
wird. Ein Vakuum wird dann an der Betätigungskammer 313 angelegt,
um die Fluid-Stopfen durch die poröse fünfte Schicht 305 in
die Probekammer 314 zu saugen, wo die Stopfen kombiniert
werden. Alternativ kann die Betätigungskammer 314 an der
Atmosphäre
entlüftet
werden und der erste und der zweite Fluid-Stopfen können unter
Druck gesetzt werden, so dass sie durch die poröse fünfte Schicht 305 hindurch
in die Probekammer 314 gedrückt werden.
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Eine
andere Ausführungsform
zum Kombinieren diskreter Fluidvolumen wendet ein poröses Material
an, vorzugsweise ein hydrophob poröses Material, zum Entlüften einer
Probekammer. Bezugnehmend auf 9A–9C ist
eine Mikrofluidik-Vorrichtung
zum Kombinieren von jeweils vier Fluidpaaren mit acht Schichten 321–328 konstruiert. Die
Vorrichtung 320 erlaubt, dass vier Stopfen von jedem Fluid
(in vier separaten Probekammern) auf simultane Weise dosierbar und
dann kombinierbar sind. 9A ist
eine Draufsicht auf die Vorrichtung 320, 9B ist
eine vergrößerte Draufsicht
eines Abschnitts der Vorrichtung 320, welche die Schnittlinie "G"-"G" darstellt, und 9C ist
eine Seitenschnittansicht eines Abschnitts der Vorrichtung 320 entlang der
Schnittlinie "G"-"G".
Vorzugsweise ist die erste Schicht 321 ein Substrat; sind
die zweite, vierte und sechste Schicht 322, 324, 326 doppelseitige
selbstklebende Bänder;
ist die dritte Schicht 323 eine deformierbare Membran,
wie beispielsweise ein 4 millizoll (100 μl) dicker Latexfilm; ist die
fünfte
Schicht 325 ein nicht klebender Film; ist die siebente
Schicht 327 ein einseitiges Klebeband, wobei der Klebstoff
nach unten zeigt; und ist die achte Schicht 328 eine poröse Membran.
Vorzugsweise ist die erste Schicht 321 ein starrer Festkörper, um
ein gesteuertes Unterdrucksetzen der Betätigungskammern 329, 330 in
der zweiten Schicht 322 zu vereinfachen. Die zweite Schicht 322 definiert
zwei Betätigungskammern 329, 330 für jede Probekammer,
welche über
den Fluidik-Öffnungen 332, 333 in
der fünften
Schicht 325 so angeordnet sind, dass das Unterdrucksetzen
der Betätigungskammern 329, 330 die
deformierbare dritte Schicht 323 lokal deformiert, um die Öffnungen 332, 333 zu
blockieren, welche daher als Membranventil funktionieren. Vier Probekammern 334 sind
in der vierten bis einschließlich
der siebten Schicht 324–327 definiert, wobei
die untere Grenze von jeder Kammer 334 die poröse achte
Schicht 328 ist. Nach dem Zuführen von zwei Stopfen zu einer
Probekammer 334 wird jede Luft, welche in der Kammer 334 präsent ist
durch die poröse
Schicht 328 entlassen, welche die Stopfen am Entkommen
hindert.
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Die
Fluidik-Öffnungen 332, 333 sind
zu den Wänden
der Probekammer 343 in der fünften Schicht 325 seitlich
versetzt, so dass ermöglicht
wird, dass die Öffnungen 332, 333 vollständig bedeckt
werden, wenn die Betätigungskammern 329, 330 unter
Druck gesetzt werden.
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Im
Betrieb ist ein Fluid-Stöpsel
in jedem Kanalsegment 335, 336 an gegenüberliegenden
Seiten von jeder Probekammer 334 bereitgestellt. Die Stopfen
kommunizieren mit den Kanalabschnitten 335, 336 aus
den Einlassöffnungen 337A, 337B, 338A, 338B in
der ersten Schicht 321 und den Fluidikkanälen 339, 340.
Entlang jeder Seite der Vorrichtung teilen Verbindungsstellen 341 die
Fluidikströme
in vier Abschnitte 335, 336, worin die Stopfen
ausgebildet werden. Das Fluid in den Kanälen 339 kann mit einem
unter Druck gesetzten Gas ausgespült werden, so dass es von den
Einlässen 335A, 338A hin
zu den Aulässen 337B, 338B fliesst,
so dass die diskreten Stopfen in den acht Abzweigungskanälen 335, 336 definiert
werden. Das Gesamtvolumen von jedem Stopfen sollte etwas kleiner
als die Hälfte
des Volumens von jeder Probekammer 334 sein, so dass die zwei
Stopfen in eine Probekammer 334 mit wenig Raum zum Entweichen
von Luft passen. Ein Druck wird von hinten an die Stopfen angelegt,
wenn die Stopfen zu der Probekammer 334 gefördert werden; vorzugsweise
ist der angelegte Druck kleiner als der Druck, der an den Betätigungskammern 329, 330 angelegt
wird, um die Membranventile am Lecken zu hindern. In einer bevorzugten
Ausführungsform
werden die Betätigungskammern 329, 330 annähernd auf
2–4 psi
zum Schließen
der Ventile unter Druck gesetzt und der Druck, welcher an jeden
Fluidstopfen angelegt ist, ist kleiner als 1 psi. Jedoch ist der
Grad des Druckes, welcher anzulegen ist, abhängig von der Porosität und dem
Material der porösen
achten Schicht 328. Es gibt einen 'Wassereinbruchdruck', bei welchem Wasser die poröse Membran 328 durchdringen
wird. Der an den Fluid-Stopfen angelegte Druck übersteigt vorteilhafter Weise
nicht den Wassereinbruchdruck der porösen. achten Schicht 328. In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist ein Druck von 0,3 psi, welcher an den Fluid-Stopfen angelegt ist,
ausreichend zum Bewegen des Fluids und übersteigt nicht den Wassereinbruchsdruck
der meisten hydrophoben porösen
Membranen.
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Die 10A–10C zeigen ein Beispiel einer kombinatorischen
Mikrofluidik-Vorrichtung 600 gemäß einer Ausführungsform,
welche erlaubt, dass drei unterschiedliche Proben und drei unterschiedliche
Reagenzien, alle von ungewissen Volumen, in neun separaten Probekammern
dosierbar und kombinierbar sind. Bezugnehmend auf 10A wurde die Vorrichtung 350 aus 13
Schichten einschließlich aus
einem Substrat und aufgeschichteten Matrizen, konstruiert. Die erste
Schicht 351 war ein starres, 2-1/4 × 2-1/4 quadratisches Substrat,
welches zwei Paar Öffnungen 365, 366 für ein Steuer-Fluid
aufweist, wie beispielsweise "Hochdruck"-(ungefähr 10 psi)Luft.
Die zweite Schicht 352, welche aus einem 5,5 millizoll
(138 μm)
doppelseitigen Klebeband konstruiert ist, welches einen PET-Träger und
Acrylklebestoff auf beiden Seiten hat, wurde für Steuerventile innerhalb jeder
Probekammer 375 verwendet. Wie in Verbindung mit 10A–10C verwendet, bezieht sich der Begriff "Ventil" auf eine unter Druck setzbare
Kammer, eine Reaktionskammer und eine deformierbare Membran, welche
die Kammern trennt. Zwei separate Netzwerke 367, 368 aus
Kanälen
und Kammern, wobei jedes über
Durchgangslöcher 367A, 368A an
gegenüberliegenden
Ecken der Vorrichtung 350 gespeist wird, wurden in der
zweiten Schicht 352 definiert, so dass ermöglicht wird,
dass eine Unterkammer-375A, 375B-Seite von jeder
Probekammer 375 gleichzeitig von dem Hochdrucksteuerfluid
steuerbar ist. Die dritte Schicht 353 wurde aus einem 2
millizoll (50 μm)
dicken biaxial orientierten Polyethylenfilm hergestellt und definierte
neun Paar Membranventile-Durchgangsöffnungen 370, wobei eine Öffnung von
jedem Paar in Fluid-Kommunikation mit einem Netzwerk in der zweiten
Schicht 352 steht. Die zweite Schicht 352 und
die dritte Schicht 353 weisen ferner Durchgangslöcher 369, 371 auf, so
dass das Übertragen
von Fluid aus den Öffnungen 366 in
der ersten Schicht 351 zu der dritten Schicht 354 ermöglicht wird.
Die vierte Schicht 354 wurde aus demselben doppelseitigen
Klebeband ausgebildet, wie in der zweiten Schicht 352 verwendet
und wurde für
Steuermembranventilbereiche 377 verwendet, welche den Probekammern 375 benachbart sind. Ähnlich zu
der zweiten Schicht 352 wurden zwei separate Netzwerke 373, 374 aus
Kanälen
und Kammern, welche über
die Durchgangsöffnungen 371 gespeist
wurden, in der vierten Schicht 354 definiert, so dass ermöglicht wird,
dass ein Membranventilbereich 377, welcher mit jeder Unterkammer 375A, 375B korrespondiert,
gleichzeitig steuerbar ist. Die vierte Schicht 354 definiert
ferner Durchgangslöcher 372, welche
in Fluid-Kommunikation mit Durchgangslöchern 370 stehen,
welche in der dritten Schicht 353 definiert sind, wobei
die Durchgangslöcher 371, 372 als
Betätigungskammern
funktionieren, um den Zufluss von Fluiden in die Probekammern 375,
welche in der sechsten Schicht 356 definiert sind, zu steuern. Die
fünfte
Schicht 355 war eine deformierbare (flexible) Membran,
welche aus einem vier millizoll (100 μm) dicken Latexfilm hergestellt
ist, welche als das Ventilmaterial in den Probekammern 375 und
den Membranventilbereichen 377 verwendet wurde. Die sechste
Schicht 356 wurde aus demselben doppelseitigen Klebeband
konstruiert, welches in der zweiten und vierten Schicht 352, 354 verwendet
wurde. In der sechsten Schicht 356 waren neun Probekammern 375 definiert
(wobei jede Unterkammern 375A, 375B aufweist),
wobei jede Kammer 375 zwei zugehörige Membranventil-Hohlräume 377 und
Kanäle 376 hat,
um jeden Membranventil-Hohlraum mit seiner zugehörigen Probe-Unterkammer 375A, 375B zu verbinden.
Die siebte Schicht 357 wurde aus demselben Polypropylen-Filmmaterial
hergestellt, welches in der dritten Schicht 353 verwendet
wurde und definierte neun Paare von Durchgangslöchern 378, welche
mit den Membranventilhohlräumen 377 in
der sechsten Schicht 356 verbunden sind. Die achte Schicht 358 wurde
aus einem doppelseitigen Klebeband, dasselbe wie die zweite, dritte
und sechste Schicht 352, 354, 356 hergestellt
und definierte drei Netzwerke 379 von Abzweigungskanälen (wobei
in jedem drei Splitter 380 eingebaut sind), um drei Fluidströme (z. B.
Reagenzien) in drei Stopfen pro Kanal aufzuteilen. Die neunte Schicht 359 wurde
aus demselben Polypropylenfilm hergestellt, wie der, der in der
dritten und siebten Schicht 353, 357 verwendet wurde
und wies Entlüftungsdurchgangslöcher 384 (so
dass der Luft ermöglicht
wird, abwärts
zu entkommen, wenn die Stopfen eingeladen werden), zentrale Fluid-Durchgangslöcher 383,
so dass eine Fluidik-Verbindung mit der Probekammer 375 bereitgestellt
wird, und Umfangsdurchgangslöcher 382 auf. Die
zehnte Schicht 360 wurde aus einem doppelseitigen Klebeband
(das gleiche, wie es in den vorhergehenden gleichnummerierten Schichten
verwendet wurde) hergestellt und definierte drei Netzwerke 386 aus
Abzweigungskanälen,
wobei in jedem drei Splitter 388 eingliederte waren und
auf die gleiche Weise wie die Netzwerke in der achten Schicht 358 zum
Unterteilen der drei Fluide (z. B. drei Proben) in eine Gesamtsumme
von neun Stopfen funktionierten. Die zehnte Schicht 360 definierte
ferner Durchgangslöcher
zur Fluid-Kommunikation mit der neunten Schicht 359 und
weiter mit der achten Schicht 358. Die elfte Schicht 361 wurde
aus einem einseitigen Klebeband hergestellt, welches aus einem 1
millizoll (25 μm)
Polyesterträger
mit 0,8 millizoll (20 μm) Acrylklebstoff
bestand, wobei die Klebstoffseite unten ist. Die elfte Schicht 361 funktionierte
so, dass eine gleichmäßige Bodenfläche für Kanäle in der
zehnten Schicht 360 bereitgestellt ist, so dass Entlüftungs-Durchgangslöcher 390 und
Umfang-Fluid-Durchgangslöcher 389, 391,
beispielsweise für Proben
und Reagenzien, bereitgestellt sind. Die zwölfte Schicht 362 wurde
aus einem hydrophoben, porösen
Polyethylenfilm mit einer Porengröße von 2,5–4,5 μm hergestellt und funktioniert
so, dass der Luft erlaubt wird, aus den Stopfenkanälen zu entkommen,
aber dass das Fluid in der Vorrichtung 350 gehalten wird.
Da der poröse
Film der zwölften
Schicht 362 undurchsichtig war, wurden neun zentrale Fenster 393 in
den Film geschnitten, um das Überwachen oder
Analysieren der Probekammern 375 von unten zu erleichtern.
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Ferner
wurden Umfang-Fluid-Durchgangslöcher
in der zwölften
Schicht 392, 394 definiert, beispielsweise für Proben
und Reagenzien. Schließlich wurde
die dreizehnte Schicht 363 aus einem einseitigen Klebeband
(dasselbe Material wie Schicht 11) hergestellt und funktionierte
so, dass das poröse
Material der zwölften
Schicht 362 abgedeckt ist, außer wo die zentralen Durchgangslöcher 396 und
die Umfangslöcher 395 (welche
zusammen die Öffnungen 397A, 397B, 398A, 398B aufweisen)
definiert waren. Die zusammengebaute Vorrichtung 350 ist
in 10B gezeigt, wobei ein Abschnitt der Vorrichtung in 10C vergrößert dargestellt
ist, um zusätzliche Details
zu zeigen.
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Um
die Mikrofluidik-Vorrichtung 350 für die Betätigung vorzubereiten, wurde
die Vorrichtung 350 an eine Hochdruck-Luftquelle und Isolationsventile (nicht
gezeigt) von oben an die Öffnungen 365, 366 angeschlossen
und an sechs Fluid-Quellen
(welche Liquid- und Niederdruck-Luft zuführten) von unten an den Öffnungen 395 angeschlossen.
Die Hochdruck-Luftquellen
wurden mit einem Druck von ungefähr
10 PSI versehen, um die Probekammer-375-Ventile und um
die zugehörigen
Membran-Ventile 377 zu schließen. Die Probekammer-Ventile
waren aus einer "kollabierenden
Kammer" designed,
wie hierin diskutiert. Bei der Betätigung, wobei die Ventile 375, 377 geschlossen
sind, wurden sechs Liquid-Ströme in die
Vorrichtung mit Spritzen (nicht gezeigt) unter Anwendung der Öffnungen 395 injiziert,
um das abzweigende Kanal-Netzwerk 379, 386 vollständig zu
füllen,
welche in der achten und zehnten Schicht 358, 360 angeordnet sind.
Danach wurde die Luft (hinter jedem Liquid in den Spritzen) in die Öffnungen 395 gedrückt, um überschüssiges Liquid
in die Kanäle 379, 386 aus
der Vorrichtung abzuführen,
was dosierte Liquid-Stopfen zurückließ, welche
nur die Kanal-Abzweigungen füllten.
Daher wurden für
jeden Fluid-Strom drei Stopfen von einem bekannten Volumen von Strömen von
unbekannten Volumen dosiert, um insgesamt achtzehn Stopfen auszubilden.
Zwei Stopfen wurden benachbart zu jeder Probekammer 375 ausgebildet,
wobei jede Unterkammer 375A, 375B zugehörige Probekammer-Ventile
(welche von den Netzwerken 367, 368 betätigt wurden)
und ein zugehöriges
Membran-Ventil 377 (welches von dem Netzwerk 373, 374 betätigt wurde)
aufweisen. Nach dem Ausbilden der achtzehn Stopfen wurden sie in
die Probekammern in Neunergruppen bewegt. Das folgende Verfahren wird
gleichzeitig an jeder Neunergruppe verwendet, da die Steuerungen
jeder Probekammer parallel verbunden waren. Zuerst wurden zwei Hochdruck-Luftquellen
freigegeben, was die lokale Abwärts-Ablenkung
der verformbaren Membran in ausgewählten Stellen reduziert, um
ein Probekammer-Ventil und das korrespondierende Membran-Ventil 377 zu öffnen. Wobei
diese Ventile offen sind, wurde ein Stopfen in eine erste Unterkammer 375A durch
Druck-Anlegen an den Fluid-Einlass von ungefähr 15 Zoll Wasser gedrückt. Sobald
der Stopfen in der ersten Unterkammer 375 war, wurde das
korrespondierende Membran-Ventil geschlossen. Dieser Prozess wurde dann
an der angrenzenden Probe-Unterkammer 375B wiederholt:
Wenn das andere Probekammer-Ventil und das korrespondierende Membran-Ventil offen waren,
wurde der Stopfen in die Kammer 375B hineingedrückt und
das Membran-Ventil wurde geschlossen. An dieser Stelle waren beide Stopfen
in der Probekammer 375 vorhanden und sie konnten frei miteinander
diffundieren. Daher werden insgesamt neun Mikrofluidik-Mischungen
in einer kompakten 2-¼ × 2-¼-Vorrichtung 350 schnell
ausgebildet. Die Vorrichtung 350 ist beispielsweise zum Durchführen von
gebündelten
homogenen Untersuchungen oder kombinatorischen Synthesen zweckmäßig.
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In
der in 10A–10C gezeigten
Ausführungsform
wurden Membran-Ventile getrennt von den zugehörigen Probekammer-Ventilen so bereitgestellt,
dass die Überwachung
oder Analyse des Inhalts der Probekammern vereinfacht ist. Da weder die
Latex-Membran, welche die fünfte
Schicht 355 aufweist, noch das poröse Entlüftungsmaterial der zwölften Schicht 362 optisch
rein waren, erlaubte das Separieren der Membran-Ventile von den Probekammern und das
Bereitstellen von Fenstern durch die zwölfte Schicht 362 hindurch
eine optisch reine Bahn zu den Probekammern, welche von unten aufrecht
zu erhalten ist. Vorzugsweise werden im Wesentlichen optisch durchgängige Materialien
für die
Vorrichtungs-Schichten oder -Abschnitte der Vorrichtungsschichten
verwendet, um eine visuelle Inspektion und/oder Schnittstelle mit
standardoptischen Detektions-Vorrichtungen, wie beispielsweise UV-VIS-Detektoren
zu ermöglichen.
Zusätzlich
kann es in bestimmten Anwendungen wünschenswert sein, ein Verdunsten
der sich ergebenden Gemische zu verhindern. Das Isolieren der Membran-Ventile
(welche ein Verdunsten erlauben) von den Probekammern erlaubt, dass
die Kanäle,
welche mit den Membran-Ventilen und Probe-Kammern verbunden sind, versiegelbar
sind (wie beispielsweise durch lokales Glüh-Versiegeln), so dass der
Inhalt in den Probekammern eingekapselt wird, wodurch dessen Verdunstung
verhindert wird.
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In
anderen Ausführungsformen
können
Mikrofluidik-Vorrichtungen
konstruiert werden, welche eine hohe Bauteil-Dichte aufweisen. Beispielsweise können kombinatorische
Mischer gemäß der Erfindung
in verschiedenen Formaten und Dichten konstruiert werden, welche
Formate, aber nicht auf dieselben beschränkt sind, aufweisen, wie beispielsweise:
8, 16, 24 oder 64 Probe-(Misch-)Kammern in einer quadratischen Vorrichtung,
welche eine Seitenlänge
von 2-¼ Zoll
(mit Mischerdichten, welche von 1,6 bis 12,6 Kammern/Zoll2 oder 0,24 bis 1,93 Kammern/cm2 reichen)
hat, 256 Probekammern in einer quadratischen Vorrichtung, welche
eine Seitenlänge von
2-7/8 Zoll (welche eine Mischerdichte von 31 Kammern/Zoll2 oder 4,7 Kammern/cm2 hat) hat; 96, 384
oder 1536 Probekammern in einem Bereich von 8 cm × 12 cm
(welcher Mischer-Dichten hat, welcher von 1 bis 16 Kammern/cm2 oder 6,5 bis 105 Kammern/Zoll2 reichen).
Bezugnehmend auf 11A–11B wurde
ein Bereich mit 256 Mischkammern in einer einzigen Fünfschichtigen-Quadrat-Vorrichtung 400 konstruiert,
welche auf jeder Seite 2-7/8 Zoll misst. 11A stellt
eine Explosionsansicht der fünf
Schichten bereit und 11B ist eine Draufsicht auf
die zusammengebaute Vorrichtung 400. Obwohl eine ähnliche
Vorrichtung zum Aufnehmen von 16 Fluid-Einlässen
entlang jeder Achse konstruiert werden könnte, ist die in 11A–11B gezeigte besondere Vorrichtung zum Empfangen
von 16 separaten Fluid-Einlässen 406 entlang
der einen Achse und acht separaten Fluid-Einlässen 407 entlang der
anderen Achse konfiguriert. Diese Konfiguration ergibt zwei Mischkammern
für jede
Fluid-Kombination, um eine absichtliche Redundanz an der Vorrichtung
bereitzustellen. Eine derartige Redundanz kann wünschenswert sein, um Synthese-Ergebnisse zu
bestätigen
und/oder systematische Fehler zu reduzieren. Die erste Schicht 401 dient
als eine Abdeckung; die zweite Schicht 402 definiert sechzehn
Umfangsöffnungen 414,
jeweils entlang zwei Seiten der Schicht und sechzehn Linear-Kanäle 415,
wobei jeder sechzehn Unterkammern 410A hat; die dritte Schicht 403 definiert
sechzehn Umfangs-Durchgangslöcher 412,
jeweils entlang beider Seiten der Schicht 403 und 256 Schlitze 413,
um einen Fluidik-Austausch zwischen den Kammern 410A und 410B (welche,
wenn miteinander kombiniert, die Kammern 410 ausbilden)
auf der zweiten und vierten Schicht 402, 404 zu
ermöglichen;
die vierte Schicht 404 weist 16 Kanäle 409 auf, wobei
jeder sechzehn Unterkammern 410B hat, mit acht Umfangsöffnungen 411,
jeweils entlang beider Seiten der Schicht 404 zum Unterteilen
jedes korrespondierenden Einlass-Stroms in Hälften; und die fünfte Schicht 405 definiert
sechzehn Fluidik-Einlass-Öffnungen 406 entlang
zwei Seiten und acht Fluidik-Einlass-Öffnungen 407 entlang
den verbleibenden Seiten. Bei der Betätigung werden Fluide zu den
256 Kammern auf der zweiten und vierten Schicht 402, 404 geführt und
am Vermischen von der dritten Zwischenschicht 403 gehindert.
Ein Druckunterschied kann dann angelegt werden, um das Fluid durch
die Schlitze 413 in die dritte Schicht 403 zu
drücken,
um die Diffusion zwischen den Stopfen zu bewirken. Zwei Iterationen,
jeweils von 128 unterschiedlichen Fluid-Kombinationen oder -Gemischen werden
ausgebildet. Alternativ kann die Vorrichtung 400 deformiert
werden, um das Mischen der Fluide zu bewirken. Andere Verfahren zum
Brechen der Schlitze können
verwendet werden.
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In
einer anderen Ausführungsform
können deformierbare
Membrane magnetisch betätigt
werden. Jede der vorhergehenden Ausführungsformen, welche deformierbare
Membranen anwendet, könnte eher
zur magnetischen Betätigung
als zur pneumatischen Betätigung
modifiziert werden. Beispielsweise und ohne Einschränkung sind
in den 13A–13B ein
alternativer Betätigungsmechanismus
für deformierbare
Membranen bereitgestellt, welcher mit der pneumatischen in 9A–9C offenbarten
Betätigung
verglichen wird.
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Allgemein
benötigt
eine magnetische Betätigung
einen Feld-Generator
und ein magnetisches (d. h. paramagnetisch oder ferromagnetisches)
Element. Das magnetische Element wird in Erwiderung auf ein Anlegen
eines magnetischen Feldes bewegt, wobei die Bewegungsrichtung des
magnetischen Elements von der Richtung des angelegten Magnetfeldes
abhängt.
Die Öffnungs- oder Schließkraft eines
magnetisch betätigten
Ventils kann eingestellt werden, indem die Größe des angelegten Magnetfeldes
variiert wird oder ein Magnetelement mit geeigneten Antwort-Eigenschaften
(Beispiel: Magnetisierung) ausgewählt wird. Beispielsweise können, falls eine
starke Magnetisierung wünschenswert
ist, dann magnetische Elemente verwendet werden, welche aus seltenen
Erdmagnet-Materialien hergestellt sind.
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Vorzugsweise
ist mindestens ein magnetisches Element mit einer deformierbaren
Membran einstückig
ausgebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform weist eine deformierbare
Membran eine oder mehrere diskrete magnetische Elemente auf. Ein
diskretes magnetisches Element kann an einer deformierbaren Membran
unter Anwendung verschiedener Mittel, einschließlich Klebstoffen und einer
mechanischen Sicherung, angebracht sein. Beispielsweise zeigt 12 ein
magnetisches Element 421, welches an eine deformierbare
Membran 420 unter Anwendung eines Klebstoffs angebracht
ist. In einer bevorzugteren Ausführungsform,
welche in 13A–13B gezeigt
ist, ist ein diskretes magnetisches Element 458 zwischen
mehreren deformierbaren Membran-Schichten 451A, 451B, 451C zum
Ausbilden einer Komposit-Membran 451 sandwichartig eingelegt.
Der Kontakt zwischen den Schichten 451A–451B und dem magnetischen
Element 458 kann mit einem Klebstoff aufrecht erhalten werden,
wie beispielsweise, wenn eine oder mehrere der Schichten der 451A–451B an
einem selbstklebenden Bandmaterial ausgebildet sind. Ferner kann vorzugsweise
die zentrale Membranschicht 451B eine Matrizen-Schicht sein, welche
eine Öffnung
definiert, in welche das Magnetelement 451 eingesetzt ist.
Mehrere Membranschichten 451A–451B können unter
Anwendung konventioneller Klebverfahren aufeinander geschichtet
werden, wie beispielsweise Kleben oder thermisches Kleben. Kleblose
Filme aus deformierbaren Materialien, wie beispielsweise Latex,
Polypropylen, Polyethylen, und Polytetrafluorethylen sind bereits
in Dicken von 0,5 millizoll (13 μm) oder
weniger erhältlich.
Wenn sie als selbstklebendes Klebeband vorgesehen sind, sind derartige
Materialien bereits mit einer Gesamt-(Kleber + Klebstoff)Dicke zwischen ungefähr 1,5 und
2,0 millizoll (38 bis 50 μm)
verfügbar.
Eine Ausführungsform,
wie beispielsweise in den 13A–13B gezeigt, kann daher mit einer kombinierten
Membran-Dicke von ungefähr
2,0 bis 2,5 millizoll (50 bis 63 μm)
versehen sein. In einer Ausführungsform,
wie beispielsweise in den 13A–13B gezeigt, kann die Zentral-Membranschicht 451B eine
Matrixschicht sein, welche von einem Kontaktklebstoff ausgebildet ist,
um einer aufeinander geschichteten Membran 451 in ungefähr derselben
Gesamtdicke wie vorher (ungefähr
2,0 bis 2,5 millizoll, (oder 50 bis 63 μm) auszubilden.
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Ein
diskretes Magnetelement, welches mit einer Membranschicht einstückig auszubilden
ist, kann in jeder größeren Gestalt
bereitgestellt werden, welche ausreichend ist, die gewünschten
Flusssteuer-Eigenschaften zu begünstigen.
Wenn die Flusssteuer-Vorrichtung einen Ventilsitz von einer bestimmten
Geometrie anwendet, wird dann die gewünschte Gestalt und Größe des magnetischen
Elements vorzugsweise so ausgewählt,
dass es mit der Ventilsitz-Geometrie eine Schnittstelle bildet.
Besondere Gestalten von magnetischen Elementen, welche verwendbar
sind, weisen zylindrische, sphärische
oder ringförmige
Gestalten auf. Ein Ventilsitz kann eine Öffnung aufweisen, welche wahlweise
abdichtbar ist, um den Fluid-Fluss zu steuern. Vorzugsweise kann
die Membran durch eine magnetische Kraft deformiert werden, um die Öffnung abzudichten,
wodurch der Fluid-Fluss verhindert wird. Alternativ kann ein ringförmiges Magnetelement
benachbart zu einer Öffnung
angeordnet sein, welche in einer Membran definiert ist, so dass
dem Fluid unter bestimmten Umständen
ermöglicht
wird, sowohl durch die Membran-Öffnung
als auch das ringförmige
Magnetelement hindurch zu fließen.
Dieser Fluidstrom-Weg kann wahlweise blockiert oder wieder aufgebaut
werden durch Anlegen eines Magnetfelds, welches die Membran gegen
eine Ventil-Sitzfläche deformiert.
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Als
eine Alternative zur Verwendung einer oder mehrerer diskreter Magnetelemente
kann eine deformierbare Membran, welche eine diffuse Magnetschicht
aufweist, vorgesehen werden. Falls eine diffuse Magnetschicht verwendet
wird, ist sie dann vorzugsweise an eine deformierbare Membran gekoppelt,
welche aufgrund wünschenswerter
Materialeigenschaften, wie beispielsweise chemische Kompatibilität oder Abdicht-Eigenschaften
ausgewählt wird.
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Ein
Magnetfeld-Generator für
die Verwendung mit einer magnetisch deformierbaren Membran weist
vorzugsweise eine stromführende
Drahtwicklung auf, vorzugsweise ein isolierter Draht. Der Strom kann
wahlweise an die Wicklung angelegt werden, wie beispielsweise unter
Anwendung einer Außen-Stromquelle, um ein
magnetisches Feld zu erzeugen. Die Stärke des Magnetfelds kann eingestellt werden,
in dem die Größe des Stroms
und die Anzahl der Windungen des Drahtes variiert wird. Die Richtung
des sich ergebenden Magnetfelds ist parallel zu der Zentralachse
der Wicklung. In einer bevorzugteren Ausführungsform ist ein feldkonzentrierendes Element,
wie beispielsweise ein ferromagnetischer Kern entlang der Zentralachse
der Wicklung bereitgestellt. Ein magnetischer Feldgenerator 470,
der ein feldkonzentrierendes Element 471 und eine Wicklung
aus isoliertem Draht 472 aufweist, ist in 13A–13B gezeigt. Das feldkonzentrierende Element 471 ist
vorzugsweise im Wesentlichen von zylindrischer Gestalt und wenn
ein hoch fokussiertes Feld gewünscht
wird, sollte dann der Zylinder einen kleinen Durchmesser aufweisen.
Der stromführende Draht 472 kann
direkt um das feldkonzentrierende Element 471 gewickelt
sein.
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Wie
ferner in 13A–13B gezeigt
ist, wird ein magnetisch betätigtes
Membran-Ventil durch wahlweises Stromanlegen an der Wicklung 474 betätigt. Zum
Deformieren der Membran 471 (welche aus laminierten Schichten 451A–451C und
dem magnetischen Element 458 ausgebildet ist) in der einen
Richtung wird an der Wicklung 472 Strom in der einen Richtung
angelegt. Um die Reise der Membran 451 umzukehren, wird
Strom in entgegengesetzter Richtung angelegt. Die 13A zeigt die Membran 451 in einer Entspann-Position,
wobei der Feld-Generator 470 im Wesentlichen zentral über dem
Magnetelement 458 ist, welches wiederum im Wesentlichen zentral über einer Öffnung 471 ist,
welche eine Fluid-Kommunikation
zwischen einem ersten Kanal 456 und einer Probekammer 459 innerhalb
einer Mikrofluidik-Vorrichtung 450 erlaubt. Die Vorrichtung 450 ist
aus einer Drei-Schicht-Komposit-Membran 451 und
fünf anderen
Vorrichtungsschichten 452, 453A, 453B, 454, 455 ausgebildet.
Die Bodenschicht 455 ist vorzugsweise ein poröses Material
und ein Entlüftungsloch 460 ist
in der fünften
Schicht 454 ausgebildet, um der Luft innerhalb des Kanals 454 zu
ermöglichen,
vor einer vorrückenden
Liquid-Front zu entkommen. 13B zeigt
die Membran 451 in einer Deformations-Position und beim Kontaktieren
der Sitzschicht 452, welche die Öffnung 457 definiert,
um den Fluidstrom zwischen dem ersten Kanal-Segment 456 und der Probekammer 459 zu
verhindern.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
können
mehrere magnetisch betätigte
Fluss-Steuerventile in einer einzigen Mikrofluidik-Vorrichtung einstückig ausgebildet
sein. Eine Mikrofluidik-Vorrichtung kann mindestens eine deformierbare
Membran und mehrere diskrete Magnetelemente aufweisen. Vorzugsweise
kann eine derartige Vorrichtung zum Manipulieren des Fluids zwischen
mehreren Fluidik-Einlassöffnungen
und mehreren Probekammern verwendet werden. Ein Magnetfeld-Generatorbereich, welcher
mehrere Wicklungen und feldkonzentrierende Elemente aufweist, kann
in relativ enger Nähe
zu der Mikrofluidik-Flusssteuervorrichtung positioniert sein, um
das Fluid in der Vorrichtung zu manipulieren. Jedoch berührt der
Feld-Generatorbereich vorzugsweise nicht die Mikrofluidik-Vorrichtung.
Vorzugsweise ist ein Wicklungs- und Feld-Fokussierelement bereitgestellt
und mit jedem Magnetelement gepaart. Ein Vorteil, dass Feld-Fokussier-Elemente in einer
derartigen Vorrichtung verwendet werden, ist, dass eine ungewollte
Interferenz zwischen ungepaarten Wicklungen und Magnetelementen
minimiert wird. Hochdichte Bereiche des Feld-Generators können daher
verwendet werden, um eine präzise
Steuerung über
das Fluid bereitzustellen, welches in einen kleinen Bereich strömt. Die
komplexe Betätigung eines
Fluidik-Systems kann daher bereitgestellt werden, ohne dass irgendwelche
Außen-Bauteile
benötigt
werden, um die Vorrichtung physikalisch zu berühren.
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Mikrofluidik-Vorrichtungen
gemäß der Erfindung
können
im Umformen kombinatorischer Synthesen von Peptiden, Proteinen und
DNS- und RNS-Oligomeren verwendet werden, wie es gegenwärtig in
Makrofliuidik-Volumen durchgeführt
wird. Beispielsweise kann das Folgende durchgeführt werden: Kombinatorische
Synthese und/oder Screening von Plasmiden, Aptimer, Proteinen und
Peptiden; Auswerten der Enzymaktivität und Derivaterstellen von
Proteinen und Kohlenhydraten. Ein breites Spektrum von biochemischen
und elektro-physikalischen Untersuchungen kann auch durchgeführt werden, welche
aufweisen: (1) Genom-Analysen (Sequenzierung, Hybridisierung), PCR
und/oder andere Detektions- und Verstärkungsschemas für DNS- und RNS-Oligomere;
(2) Gen-Expression;
(3) enzymatische Aktivitäts-Untersuchungen;
(4) Rezeptor-Bindungsuntersuchungen und (5) ELISA-Untersuchungen.
Die vorhergehenden Untersuchungen können in einer Vielzahl von
Formaten durchgeführt
werden, wie beispielsweise homogen, tröpfchen-basiert und flächengebunde
Formate, einschließlich
mikrotiter-basierende Untersuchungen, welche jede von einer Anzahl
von Detektionsschemas anwenden, welche den Fachleuten bekannt sind.
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Es
ist verständlich,
dass die Darstellungen und Beschreibungen von Ansichten der individuellen Mikrofluidik-Werkzeuge, Vorrichtungen
und Verfahren, welche hierin bereitgestellt sind, zur Offenbarung von
Bauteilen vorgesehen sind, welche in einer Arbeitsvorrichtung kombinierbar
sind. Verschiedene Anordnungen und Kombinationen von individuellen Werkzeugen,
Vorrichtungen und Verfahren, welche hierin betrachtet sind, sind
abhängig
von Anforderungen der einzelnen Anwendungen. Die einzelnen Mikrofluidik-Werkzeuge,
Vorrichtungen und Verfahren, welche hierin dargestellt und beschreiben
sind, sind nur exemplarisch und nicht vorgesehen den Umfang der
Erfindung einzuschränken.